Эти напечатанные на 3D-принтере миллироботы могут чувствовать и реагировать на свое окружение

Миллиробот выглядел как очаровательный мультяшный автомобиль, умело перемещающийся по сложному лабиринту. Это странное существо: дно напоминает рухнувший забор; сверху корзина, похожая на дуршлаг. Размером с копейку, он кажется хрупким и совершенно непритязательным.

Но в его основе лежит потенциальный сдвиг парадигмы для создания автономных роботов, которые могут ощущать местную среду и реагировать на нее. В отличие от классических роботов, которые собираются из нескольких компонентов, миллиробот 3D напечатано с молочно-выглядящим метаматериалом, который может гибко менять свои свойства с помощью нескольких электрических разрядов.

Метаматериалы звучат как что-то из комиксов, но концепция проста. В отличие от дерева, стекла или других статических материалов, на которые мы с готовностью полагаемся, сохраняя свою структуру, метаматериалы, использованные в исследовании — пьезоэлектрические материалы — легко меняют свою структуру при воздействии электромагнитного поля. Это позволяет материалу скручиваться, деформироваться, сжиматься или расширяться. Запланируйте каждое движение, и вы сможете построить робота и управлять им.

Для создания бота команда предназначенный установка для 3D-печати для печати роботизированных конструкций с использованием пьезоэлектрических материалов. В качестве дополнительного дополнения команда дала ботам ультразвуковое свечение, встроив компоненты в материал, который помог ботам превращать вибрации в электричество, чтобы ощущать окружающую среду.

Миллиботы научились автономно ходить, прыгать и спасаться от потенциальных препятствий в режиме реального времени. Они даже могли совершить небольшую прогулку по пляжу в лаборатории, легко ориентируясь по пересеченной песчаной местности, частично покрытой зеленью.

Боты, хотя они все еще находятся в зачаточном состоянии, однажды могут помочь доставлять лекарства в ограниченные пространства в наших телах, если их уменьшить. Они также могут действовать как дешевые, крошечные, но мощные разведчики для исследования новых или опасных сред.

Доктору Ахмаду Рафсанджани из Центра мягкой робототехники Университета Южной Дании, кто не участвовал в исследовании миллиботы привлекают внимание к метаматериалам как к новому способу создания автономных роботов. Исследование «выдвигает на первый план более широкий взгляд на «роботизированные материалы», в котором граница между материалами и машинами становится неразличимой», — написал он в соответствующем комментарии. «Аддитивное производство пьезоэлектрических метаматериалов может привести к материализации полностью интегрированных роботов, которые в конечном итоге могут выйти прямо из 3D-принтера».

Мета-Что?

Метаматериалы странные. Но благодаря их экзотическим свойствам ученые с готовностью изучили возможности использования этих странных уток. Классика — оптика. Метаматериалы часто состоят из компонентов, гибко взаимодействующих с электромагнитными волнами, включая свет. В некотором смысле они похожи на объективы или зеркала фотоаппаратов, но обладают сверхспособностью быстро изменять направление каждой световой волны. Теоретически тщательно созданная структура из метаматериалов может полностью изменить все типы очков — от линз микроскопа до очков на наших лицах.

Совсем недавно ученые начали изучать другие варианты использования. Одним из основных усилий является включение пьезоэлектрических материалов в нейроморфные чипы, которые примерно имитируют то, как мозг вычисляет и хранит информацию. Изменяя свойства этих материалов электрическими полями, ученые могут приблизиться к тому, как синапсы работают со сверхнизкой энергией. Другие исследования использовали акробатические способности метаматериалов изменять свою форму, создавая структуры, которые преобразуют линейное движение — скажем, походку краба — во вращение и механические передачи. Как будто ваши ноги вдруг превращаются во вращающиеся колеса.

Да, метаматериалы странные. Как они работают?

Это помогает представить их как олдскульные боксовые телевизоры с антеннами. Чтобы отрегулировать канал, то есть поведение материала, вы перемещаете антенны до тех пор, пока их структура не начнет сильно взаимодействовать с радиоволнами, и вуаля.á, вы прибили состояние материала. Затем его можно смешивать с обычными материалами для создания сложных решетчатых структур, сохраняя при этом их свойства метаморфоза. Эта гибкость делает их особенно интригующим холстом для проектирования роботов. Поскольку они представляют собой почти единую структуру, в долгосрочной перспективе они могут помочь в создании интеллектуальных протезирование менее подвержены поломкам, так как у них нет механических движущихся частей. Теперь их можно не паять, а 3D-печатать. (Это дает мне все Westworld вибрации — механическая Долорес против молочно-жидкой печатной версии, кто-нибудь?).

Stranger Things

Новые миллиботы выглядят как гибрид ВАЛЛ-И и ТАРСа, ребристых складных роботов, похожих на палочки для еды. Межзвездный. Полностью напечатанные на 3D-принтере, они разрушили традиционные догмы создания роботов. Обычно роботу требуется несколько независимых компонентов: датчики для навигации по окружающей среде, микропроцессоры для «мозга», приводы для движения и источник питания для управления всей системой. Каждое звено подвержено сбою.

Здесь команда объединила каждый компонент в один дизайн. Первым ключевым ингредиентом являются пьезоэлектрические материалы, которые преобразуют электрические поля в механическое напряжение и наоборот. Это «мышцы», которые управляют движением робота. Но они выполняют тройную функцию. В зависимости от состояния метаматериала он может образовывать керамическую основу, помогающую миллиботу сохранять свою форму. В своей проводящей фазе он действует как нервные клетки, улавливая электромагнитные сигналы для управления «мышцами». Дальнейшее повышение мастерства бота — это ультразвуковой элемент, встроенный в бота, который помогает ему ощущать свое окружение.

В целом, простой миллибот, по сути, имеет несколько систем, смешанных в одну ослепительно белую слизь: нервную систему, способную воспринимать и приводить в действие, «мышечный» компонент и скелетную структуру. Поместив слизь в 3D-принтер, команда построила сложные решетки в качестве основы робота, каждая из которых была тщательно украшена проводящими металлами и пьезоэлектрическими свойствами в определенных областях.

Результат? Крошечный робот, который подключается к электрическим полям, чтобы ощущать окружающую среду и ориентироваться в ней. Еще более впечатляющей является его способность «понимать» собственные движения тела и положение в пространстве — трюк, называемый проприоцепцией. это было дублировано «шестое чувство» человеческого восприятия и редко реализуется в роботах.

После нескольких испытаний авторы затем продемонстрировали мастерство ботов. Один робот мастерски обходил блокпосты в режиме реального времени, пока человек последовательно опускал барьеры на основе ультразвуковой обратной связи. В другом тесте робот прыгал на большие расстояния и мастерски проходил крутые повороты. С задержкой всего в миллисекунды лягушка-робот перепрыгнула несколько шероховатых поверхностей без пота — двигательная задача, которая раньше приводила в замешательство других ботов.

Из миллиботов также получались отличные вьючные мулы. Даже с 500-процентным весом полезной нагрузки, такой как встроенный источник питания, драйвер и микроконтроллер, они могли легко двигаться, потеряв скорость всего на 20 процентов. На практике сверхдержава делает этих ботов отличными эшафотами в качестве машин для доставки лекарств, которые однажды могут бродить по нашему кровотоку.

Способы пойти

Отдельный кусок пьезоэлектрического материала может быть чрезвычайно гибким, с шестью степенями свободы — способностью растягиваться линейно по трем осям (например, сгибая руку вперед, в сторону и назад) и вращательно вращаться. Благодаря аддитивному производству в исследовании легко проектировать различные архитектуры роботов, руководствуясь творческими алгоритмами.

Команда «искусно переплела срабатывание и восприятие в легком миниатюрном

составная трехмерная решетка, которая движется и ощущает свое окружение», — сказал Рафсанджани.

Роботы могут показаться нелепой загадкой: гибкие существа, сделанные из твердого керамического скелета с одним метаматериалом. Но таковы и мы, люди — мы сделаны из клеток совершенно разных форм, размеров и возможностей. Адаптация идей, использованных при разработке пьезоэлектрических роботов, открывает новый взгляд на мягкую робототехнику, что потенциально может привести к созданию полностью искусственных материалов, совместимых с нашими телами.

Исследование «приближает роботизированные метаматериалы к биологическим системам, по одной функции за раз», — сказал Рафсанджани.

Изображение предоставлено: Rayne Research Group

• Коинсмарт. Лучшая в Европе биржа биткойнов и криптовалют.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. БЕСПЛАТНЫЙ ДОСТУП.
• КриптоХок. Альткоин Радар. Бесплатная пробная версия.
• Источник: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/