Ti 3D natisnjeni miliroboti lahko zaznavajo svojo okolico in se nanjo odzovejo

Milirobot je bil videti kot čudovito vozilo iz risank, ko je spretno krmaril po zapletenem labirintu. To je čudno bitje: dno spominja na podrto ograjo; vrh, cedilu podobna košara. Velikost penija se zdi krhka in povsem skromna.

Toda v središču je potencialna sprememba paradigme za gradnjo avtonomnih robotov, ki lahko zaznavajo in se odzivajo na svoje lokalno okolje. Za razliko od klasičnih robotov, ki so sestavljeni iz več komponent, je millirobot 3D natisnjeno z metamaterialom mlečnega videza, ki lahko prilagodljivo spremeni svoje lastnosti z nekaj električnimi preklopi.

Metamateriali zvenijo kot nekaj iz stripa, vendar je koncept preprost. Za razliko od lesa, stekla ali drugih statičnih materialov, na katere se zlahka zanašamo, da ohranijo njihovo strukturo, metamateriali, uporabljeni v študiji – piezoelektrični materiali – zlahka spremenijo svojo strukturo, ko jih razstrelimo z elektromagnetnim poljem. To omogoča, da se material zvija, zvija, krči ali širi. Načrtujte vsako gibanje in mogoče je sestaviti in upravljati robota.

Za izgradnjo bota, ekipe zasnovan postavitev 3D tiskanja za tiskanje robotskih struktur z uporabo piezoelektričnih materialov. Kot dodaten dodatek je ekipa robotom dala ultrazvočno žarenje, vdelala komponente v material, kar je robotom pomagalo pretvoriti vibracije v elektriko, da so zaznali svoje okolje.

Miliboti so se naučili samostojno hoditi, skakati in pobegniti pred morebitnimi ovirami v realnem času. Lahko bi se celo odpravili na mini pohod po plaži v laboratoriju in zlahka krmarili po neravnem, peščenem terenu, delno prekritem z zelenjem.

Boti, čeprav še vedno osnovni, bi lahko nekega dne pomagali dostavljati zdravila v zaprte prostore v naših telesih, če bi jih zmanjšali. Delujejo lahko tudi kot poceni, majhni, a močni skavti za raziskovanje novih ali nevarnih okolij.

Dr. Ahmadu Rafsanjaniju iz Centra za mehko robotiko Univerze Južne Danske, ki ni bil vpleten v študiji miliboti postavljajo metamateriale v središče pozornosti kot nov način konstruiranja avtonomnih robotov. Študija "poudarja širši pogled na 'robotske materiale', v katerih meja med materiali in stroji postane neopazna," je zapisal v povezanem komentarju. "Dodatna proizvodnja piezoelektričnih metamaterialov lahko vodi do materializacije popolnoma integriranih robotov, ki bi lahko sčasoma prišli naravnost iz 3D tiskalnika."

Meta-Kaj?

Metamateriali so čudni. Toda zaradi njihovih eksotičnih lastnosti so znanstveniki brez težav raziskali možne uporabe teh nenavadnih rac. Klasična je optika. Metamateriali so pogosto narejeni iz komponent, ki prožno komunicirajo z elektromagnetnimi valovi, vključno s svetlobo. Na nek način so podobni lečam fotoaparata ali ogledalom, vendar imajo supermoč, da hitro spremenijo, kako usmerjajo vsak svetlobni val. Teoretično bi skrbno ustvarjena struktura iz metamaterialov lahko prenovila vse vrste očal – od mikroskopskih leč do tistih na naših obrazih.

Pred kratkim so znanstveniki začeli raziskovati druge uporabe. Eden večjih prizadevanj je vključitev piezoelektričnih materialov v nevromorfne čipe, ki približno simulirajo, kako možgani računajo in shranjujejo informacije. S spreminjanjem lastnosti teh materialov z električnimi polji lahko znanstveniki približajo, kako sinapse delujejo z ultra nizko energijo. Druge študije izkoriščajo akrobatsko sposobnost metamaterialov, da preoblikujejo svojo obliko, ustvarjajo strukture, ki pretvarjajo linearno gibanje – recimo hojo rakovice – v rotacije in mehanske prestave. Kot da bi se tvoje noge nenadoma spremenile v vrteča se kolesa.

Ja, metamateriali so čudni. Kako delujejo?

Pomaga si jih predstavljati kot starinski televizorji v škatlah z antenami. Če želite prilagoditi kanal – to je obnašanje materiala – premikate antene, dokler njihova struktura ne začne močno vplivati ​​na radijske valove, in voilá, ugotovili ste stanje materiala. Nato ga je mogoče zmešati z običajnimi materiali za izgradnjo zapletenih, mrežastih struktur, hkrati pa ohraniti njihove lastnosti metamorfoze. Zaradi te prilagodljivosti so še posebej zanimivo platno za načrtovanje robotov. Ker so skoraj ena struktura, bi lahko dolgoročno pomagali graditi inteligentne protetika manj nagnjeni k okvaram, saj nimajo mehanskih gibljivih delov. Namesto spajkanja jih je zdaj mogoče 3D natisniti. (To mi daje vse Westworld vibracije – mehanska Dolores v primerjavi z mlečno tekočo tiskano različico, kdo?).

Stranger Things

Novi miliboti so videti kot hibrid med Wall-E in TARS, grebenasti, zložljivi robot v obliki jedilnih palčk v Medzvezdni. Popolnoma 3D natisnjeni so razbili konvencionalno dogmo o izdelavi robotov. Običajno potrebuje robot več neodvisnih komponent: senzorje za krmarjenje po okolju, mikroprocesorje za »možgane«, aktuatorje za gibanje in napajalnik za pogon celotnega sistema. Vsaka povezava je nagnjena k okvari.

Tukaj je ekipa integrirala vsako komponento v en dizajn. Prva ključna sestavina so piezoelektrični materiali, ki pretvarjajo električna polja v mehansko napetost in obratno. So »mišice«, ki vodijo robotovo gibanje. Ampak opravljajo trojno dolžnost. Odvisno od stanja metamateriala lahko tvori keramično hrbtenico, ki milibotu pomaga ohraniti svojo obliko. V svoji prevodni fazi deluje kot živčne celice in zajema elektromagnetne signale za nadzor "mišic". Še večjo moč bota povečuje ultrazvočni element, ki je zlit z botom in mu pomaga zaznati okolico.

Skupaj ima preprost milibot v bistvu več sistemov, pomešanih v eno bleščečo belo goo: živčni sistem, ki je sposoben zaznavanja in aktiviranja, "mišična" komponenta in skeletna struktura. Ko je goo spustil v 3D-tiskalnik, je ekipa zgradila sofisticirane rešetke kot hrbtenico robota, od katerih je bila vsaka skrbno okrašena s prevodnimi kovinami in piezoelektričnimi lastnostmi na določenih območjih.

rezultat? Majhen robot, ki se dotakne električnih polj, da zazna okolje in krmari po njem. Še bolj impresivna je njegova sposobnost "razumevanja" lastnih telesnih gibov in položaja v prostoru - trik, imenovan propriocepcija to je sinhronizirano »šesti čut« človeškega zaznavanja in se le redko uporablja pri robotih.

Z nekaj izzivi so avtorji nato predstavili sposobnost botov. En robot je strokovno krmaril okoli cestnih zapor v realnem času, ko je človek zaporedno spuščal ovire na podlagi ultrazvočne povratne informacije. V drugem preizkusu je robot skakal na velike razdalje in strokovno krmaril v ostrih zavojih. S samo milisekundami zakasnitve je robotska žaba preskočila več grobih površin brez potenja – motorična naloga, ki je prej zmedla druge robote.

Miliboti so naredili tudi odlične tovorne mule. Tudi s 500-odstotno težo koristnega tovora – kot so vgrajen vir napajanja, gonilnik in mikrokrmilnik – so se lahko premikali z lahkoto s samo 20-odstotnim upadom hitrosti. V praksi velesila te robote naredi za odlične odre kot stroje za dostavo zdravil, ki bodo morda nekega dne romali v naš krvni obtok.

Poti, kako iti

Posamezen kos piezoelektričnega materiala je lahko izjemno fleksibilen, s šestimi stopnjami svobode – zmožnostjo linearnega raztezanja v treh oseh (kot je upogibanje roke naprej, vstran in nazaj) in rotacijskega zasuka. Zahvaljujoč aditivni proizvodnji študije je enostavno oblikovati različne robotske arhitekture, ki jih vodijo kreativni algoritmi.

Ekipa je »umetno prepletla aktivacijo in zaznavo v lahkotni miniaturi

kompozitna 3D mreža, ki se premika in zaznava okolico,« je dejal Rafsanjani.

Roboti se morda zdijo neskladna uganka: prilagodljivo bitje, ki je narejeno iz trde keramike podobne hrbtenice z enim metamaterialom. Toda takšni smo tudi ljudje – sestavljeni smo iz celic z zelo različnimi oblikami, velikostmi in zmogljivostmi. Prilagajanje idej, uporabljenih za oblikovanje piezoelektričnih robotov, daje mehki robotiki nov pogled, kar lahko vodi do popolnoma umetnih materialov, ki se ujemajo z našimi telesi.

Študija "približuje robotske metamateriale biološkim sistemom, eno funkcijo naenkrat," je dejal Rafsanjani.

Avtorstvo slike: Rayne Research Group

• Coinsmart. Najboljša evropska borza bitcoinov in kriptovalut.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. PROST DOSTOP.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Brezplačen preizkus.
• Vir: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/