Dessa 3D-printade millirobotar kan känna av och reagera på sin omgivning

Milliroboten såg ut som ett bedårande tecknat fordon när den sakkunnigt navigerade i en komplex labyrint. Det är en märklig varelse: botten liknar ett kollapsat staket; toppen, en durkslagsliknande korg. Storleken på ett öre, det verkar bräckligt och helt anspråkslöst.

Men kärnan är ett potentiellt paradigmskifte för att bygga autonoma robotar som kan känna av och reagera på dess lokala miljö. Till skillnad från klassiska robotar, som är sammansatta med flera komponenter, är milliroboten 3D tryckt med ett mjölkaktigt utseende metamaterial som flexibelt kan ändra sina egenskaper med några elektriska drag.

Metamaterial låter som något ur en serietidning, men konceptet är enkelt. Till skillnad från trä, glas eller andra statiska material som vi lätt litar på för att behålla sin struktur, ändrar de metamaterial som används i studien - piezoelektriska material - lätt sin struktur när de sprängs med ett elektromagnetiskt fält. Detta gör att materialet kan vridas, förvrängas, krympa eller expandera. Kartlägg varje rörelse och det är möjligt att bygga och styra en robot.

Att bygga boten, laget utformade en 3D-utskriftsinställning för att skriva ut robotstrukturer med piezoelektriska material. Som ett extra tillägg gav teamet botarna en ultraljudsglödning, inbäddade komponenter i materialet, vilket hjälpte robotarna att omvandla vibrationer till elektricitet för att känna av deras miljö.

Millibotarna lärde sig att självständigt gå, hoppa och fly från potentiella hinder i realtid. De kunde till och med ta en mini-strandvandring i labbet och enkelt navigera genom en grov, sandig terräng som delvis är täckt av grönska.

Robotarna, även om de fortfarande är rudimentära, kan en dag hjälpa till att leverera droger i trånga utrymmen i våra kroppar om de krympts ner. De kan också fungera som billiga, små, men kraftfulla scouter för att utforska nya eller farliga miljöer.

Till Dr Ahmad Rafsanjani vid Center for Soft Robotics, Syddansk Universitet, som inte var inblandad i studien tar millibotarna metamaterial fram i rampljuset som ett nytt sätt att konstruera autonoma robotar. Studien "belyser en bredare syn på 'robotmaterial' där gränsen mellan material och maskiner blir oskiljbar", skrev han i en relaterad kommentar. "Additiv tillverkning av piezoelektriska metamaterial kan leda till att helt integrerade robotar materialiseras som så småningom kan gå rakt ut ur en 3D-skrivare."

Meta-vad?

Metamaterial är konstiga. Men tack vare deras exotiska egenskaper har forskare lätt utforskat potentiella användningsområden för dessa konstiga ankor. En klassisk sådan är optik. Metamaterial är ofta gjorda av komponenter som flexibelt interagerar med elektromagnetiska vågor, inklusive ljus. På ett sätt liknar de kameralinser eller speglar, men med superkraften att snabbt ändra hur de riktar varje ljusvåg. I teorin kan en noggrant skapad struktur från metamaterial se över alla typer av glasögon - från mikroskoplinser till de i våra ansikten.

På senare tid började forskare utforska andra användningsområden. En stor ansträngning är att införliva piezoelektriska material i neuromorfa chips, som ungefär simulerar hur hjärnan beräknar och lagrar information. Genom att ändra egenskaperna hos dessa material med elektriska fält kan forskare uppskatta hur synapser fungerar med ultralåg energi. Andra studier utnyttjade metamaterials akrobatiska förmåga att förvandla sin form och skapa strukturer som omvandlar linjära rörelser – till exempel en krabbvandring – till rotationer och mekaniska växlar. Det är som om dina ben plötsligt förvandlas till roterande hjul.

Ja, metamaterial är konstiga. Hur fungerar de?

Det hjälper att föreställa sig dem som gammaldags boxade TV-apparater med antenner. För att justera kanalen – det vill säga materialets beteende – flyttar du runt antennerna tills deras struktur interagerar starkt med radiovågor, och voilá, du har fastställt materialets tillstånd. Det kan sedan blandas med konventionella material för att bygga intrikata, gitterliknande strukturer samtidigt som deras metamorfosegenskaper bevaras. Denna flexibilitet gör dem till en särskilt spännande duk för att designa robotar. Eftersom de är nästan en enda struktur kan de i det långa loppet hjälpa till att bygga intelligenta protetik mindre benägna att misslyckas, eftersom de inte har mekaniska rörliga delar. Istället för att löda kan de nu 3D-utskrivas. (Detta ger mig allt Westworld vibbar—mekanisk Dolores kontra mjölkaktigt flytande tryckt version, någon?).

konstigare saker

De nya millibotarna ser ut som en hybrid mellan Wall-E och TARS, en räfflade, hopfällbar, ätpinnarliknande robot i interstellar. Helt 3D-utskrivna slog de sönder den konventionella dogmen för att bygga robotar. Normalt behöver en robot flera oberoende komponenter: sensorer för att navigera i miljön, mikroprocessorer för "hjärnan", ställdon för rörelse och en strömförsörjning för att driva hela systemet. Varje länk är benägen att misslyckas.

Här integrerade teamet varje komponent i en design. Den första nyckelingrediensen är piezoelektriska material, som omvandlar elektriska fält till mekanisk spänning och vice versa. De är "musklerna" som styr robotens rörelse. Men de gör tredubbel tjänst. Beroende på metamaterialets tillstånd kan det bilda en keramikliknande ryggrad för att hjälpa milliboten att behålla sin form. I sin ledande fas fungerar den som nervceller och fångar elektromagnetiska signaler för att kontrollera "musklerna". Ytterligare stöta upp botens skicklighet är ett ultraljudselement, smält in på boten, som hjälper den att känna av sin omgivning.

Sammantaget har den enkla milliboten i huvudsak flera system blandade till en iögonfallande vit goo: ett nervsystem som kan känna av och aktivera, en "muskel"-komponent och en skelettstruktur. Teamet släppte smutsen i en 3D-skrivare och byggde sofistikerade galler som robotens ryggrad, var och en noggrant dekorerad med ledande metaller och piezoelektriska egenskaper på specifika regioner.

Resultatet? En liten robot som utnyttjar elektriska fält för att känna av och navigera i sin miljö. Ännu mer imponerande är dess förmåga att "förstå" sina egna kroppsrörelser och plats i rymden - ett trick som kallas proprioception det har blivit dubbat den "sjätte sinnet" av mänsklig perception och sällan implementerad i robotar.

Med några utmaningar visade författarna sedan upp robotarnas skicklighet. En robot navigerade sakkunnigt runt vägspärrar i realtid när en människa sekventiellt tappade barriärer baserat på ultraljudsfeedback. I ett annat test hoppade roboten långa sträckor och navigerade skickligt i skarpa svängar. Med bara millisekunders fördröjning hoppade robotgrodan flera ojämna ytor utan att svettas – en motorisk uppgift som tidigare har förvirrat andra robotar.

Millibotarna gjorde också fantastiska packmulor. Även med 500 procents vikt i nyttolasten – som en inbyggd strömkälla, en drivrutin och en mikrokontroller – kunde de enkelt röra sig med bara en 20 procents nedgång i hastighet. I praktiken gör superkraften dessa robotar till fantastiska byggnadsställningar som läkemedelsleveransmaskiner som en dag kan ströva omkring i vårt blodomlopp.

En väg att gå

Ett enda stycke piezoelektriskt material kan vara extremt flexibelt, med sex frihetsgrader – förmågan att sträcka sig linjärt i tre axlar (som att böja armen framåt, i sidled och bakåt) och vrida roterande. Tack vare studiens additiv tillverkning är det enkelt att designa olika robotarkitekturer styrda av kreativa algoritmer.

Teamet "konstnärligt sammanflätade aktivering och perception i en lätt miniatyr

komposit 3D-gitter som rör sig runt och känner av sin omgivning”, sa Rafsanjani.

Robotarna kan framstå som en inkongruen gåta: en flexibel varelse som är gjord av hård keramikliknande ryggrad med ett metamaterial. Men det är vi människor också – vi är gjorda av celler med väldigt olika former, storlekar och förmågor. Att anpassa idéer som används för att designa piezoelektriska robotar ger mjuk robotik ett nytt perspektiv, vilket potentiellt leder till helt konstgjorda material som samsas med våra kroppar.

Studien "för robotmetamaterial närmare biologiska system, en funktion i taget", sa Rafsanjani.

Bildkredit: Rayne Research Group

• Myntsmart. Europas bästa bitcoin- och kryptobörs.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. FRI TILLGÅNG.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Gratis provperiod.
• Källa: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/