Millirobot ที่พิมพ์ 3 มิติเหล่านี้สามารถสัมผัสและตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมได้

หุ่นยนต์มิลลิโรบ็อตดูเหมือนรถการ์ตูนน่ารักขณะสำรวจเขาวงกตที่ซับซ้อนอย่างเชี่ยวชาญ มันเป็นสิ่งมีชีวิตที่แปลกประหลาด ด้านล่างคล้ายกับรั้วที่พังทลาย ด้านบนเป็นตะกร้าคล้ายกระชอน ขนาดเท่าเหรียญเพนนี ดูเหมือนเปราะบางและถ่อมตัวสุดๆ

แต่แกนหลักของมันคือการปรับเปลี่ยนกระบวนทัศน์ที่อาจเกิดขึ้นสำหรับการสร้างหุ่นยนต์อิสระที่สามารถสัมผัสและตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นได้ ไม่เหมือนหุ่นยนต์คลาสสิกที่ประกอบขึ้นด้วยส่วนประกอบหลายส่วน มิลลิโรบอทคือ พิมพ์ 3D ด้วย metamaterial ที่ดูคล้ายน้ำนมที่สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของมันได้อย่างยืดหยุ่นด้วยการใช้ไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย

Metamaterials ดูเหมือนบางอย่างในหนังสือการ์ตูน แต่แนวคิดนี้เรียบง่าย ต่างจากไม้ แก้ว หรือวัสดุที่มีไฟฟ้าสถิตย์อื่นๆ ที่เรามักใช้ยึดโครงสร้างไว้ เนื่องจาก metamaterials ที่ใช้ในการศึกษา ซึ่งก็คือวัสดุเพียโซอิเล็กทริก—เปลี่ยนโครงสร้างได้อย่างง่ายดายเมื่อถูกทำลายด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งช่วยให้วัสดุบิด บิด หด หรือขยายได้ กำหนดการเคลื่อนไหวแต่ละครั้ง คุณสามารถสร้างและบังคับหุ่นยนต์ได้

เพื่อสร้างบอททีม ได้รับการออกแบบ การตั้งค่าการพิมพ์ 3 มิติเพื่อพิมพ์โครงสร้างหุ่นยนต์โดยใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริก ในฐานะที่เป็นส่วนเสริมเพิ่มเติม ทีมงานได้มอบแสงอัลตราซาวนด์ให้บอทส์ โดยฝังส่วนประกอบลงในวัสดุ ซึ่งช่วยให้บอทเปลี่ยนการสั่นสะเทือนเป็นกระแสไฟฟ้าเพื่อรับรู้สภาพแวดล้อม

มิลลิบอตเรียนรู้ที่จะเดิน กระโดด และหลบหนีจากสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นได้แบบเรียลไทม์ พวกเขายังสามารถเดินป่าเล็กๆ ในห้องแล็บ นำทางผ่านภูมิประเทศที่ขรุขระและเต็มไปด้วยทรายที่ปกคลุมบางส่วนด้วยความเขียวขจีได้อย่างง่ายดาย

บอทแม้ว่าจะยังเป็นพื้นฐาน แต่วันหนึ่งสามารถช่วยส่งยาในพื้นที่ จำกัด ในร่างกายของเราได้หากหดตัวลง พวกมันอาจทำหน้าที่เป็นหน่วยสอดแนมราคาถูก ตัวเล็ก แต่ทรงพลังในการสำรวจสภาพแวดล้อมใหม่หรือสภาพแวดล้อมที่อันตราย

ถึง Dr. Ahmad Rafsanjani ที่ Center for Soft Robotics, University of Southern Denmark, ที่ไม่เกี่ยวข้อง ในการศึกษา มิลลิบอทได้นำ metamaterials มาสู่ไฟแก็ซ เป็นวิธีใหม่ในการสร้างหุ่นยนต์อัตโนมัติ การศึกษานี้เน้นให้เห็นมุมมองที่กว้างขึ้นของ 'วัสดุหุ่นยนต์' ซึ่งขอบเขตระหว่างวัสดุและเครื่องจักรจะมองไม่เห็น” เขาเขียนในคำอธิบายที่เกี่ยวข้อง "การผลิตสารเติมแต่งของวัสดุเมตาพาโซอิเล็กทริกอาจนำไปสู่การสร้างหุ่นยนต์ที่บูรณาการอย่างสมบูรณ์ซึ่งในที่สุดอาจเดินออกจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ"

เมต้า-อะไรนะ?

Metamaterial นั้นแปลก แต่ด้วยคุณสมบัติที่แปลกใหม่ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถสำรวจศักยภาพการใช้งานของเป็ดแปลกๆ เหล่านี้ได้อย่างง่ายดาย แบบคลาสสิกคือเลนส์ Metamaterial มักทำจากส่วนประกอบที่โต้ตอบกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งรวมถึงแสงได้อย่างยืดหยุ่น ในทางหนึ่ง พวกมันคล้ายกับเลนส์กล้องหรือกระจก แต่ด้วยพลังพิเศษที่จะเปลี่ยนวิธีกำหนดทิศทางของคลื่นแสงทุกอันอย่างรวดเร็ว ตามทฤษฎีแล้ว โครงสร้างที่สร้างขึ้นอย่างพิถีพิถันจากวัสดุเมตาสามารถยกเครื่องแว่นตาได้ทุกประเภท ตั้งแต่เลนส์ไมโครสโคปไปจนถึงเลนส์บนใบหน้าของเรา

ไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มสำรวจการใช้งานอื่นๆ ความพยายามหลักอย่างหนึ่งคือการรวมวัสดุเพียโซอิเล็กทริกเข้ากับชิปนิวโรมอร์ฟิค ซึ่งจำลองวิธีที่สมองคำนวณและจัดเก็บข้อมูลคร่าวๆ ด้วยการเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้ด้วยสนามไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์สามารถประมาณได้ว่าไซแนปส์ทำงานอย่างไรโดยใช้พลังงานต่ำมาก การศึกษาอื่น ๆ ใช้ความสามารถกายกรรมของ metamaterials ในการเปลี่ยนรูปร่าง สร้างโครงสร้างที่แปลงการเคลื่อนที่เชิงเส้น กล่าวคือ การเดินของปู เป็นการหมุนและเกียร์เชิงกล ราวกับว่าขาของคุณกลายเป็นล้อหมุนในทันใด

ใช่ metamaterials แปลก พวกเขาทำงานอย่างไร

ช่วยจินตนาการว่าเป็น ทีวีรุ่นเก่าพร้อมเสาอากาศ. ในการปรับช่องสัญญาณ—นั่นคือ พฤติกรรมของวัสดุ— คุณต้องขยับเสาอากาศไปรอบๆ จนกว่าโครงสร้างของพวกมันจะโต้ตอบอย่างแรงกับคลื่นวิทยุและ voiláคุณได้ตอกย้ำสถานะของวัสดุ จากนั้นสามารถผสมกับวัสดุทั่วไปเพื่อสร้างโครงสร้างที่คล้ายโครงตาข่ายที่สลับซับซ้อน ขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติการแปรสภาพของพวกมัน ความยืดหยุ่นนี้ทำให้เป็นผืนผ้าใบที่น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการออกแบบหุ่นยนต์ เนื่องจากเป็นโครงสร้างที่ใกล้เดียว ในระยะยาว พวกเขาสามารถช่วยสร้างอัจฉริยะได้ ขาเทียม มีโอกาสเกิดความล้มเหลวน้อยกว่า เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวทางกลไก แทนที่จะบัดกรี ตอนนี้พวกเขาสามารถพิมพ์ 3 มิติได้แล้ว (สิ่งนี้ทำให้ฉันทั้งหมด Westworld Vibes— กลไก Dolores กับรุ่นพิมพ์น้ำนมของเหลวใคร?)

สิ่งที่คนแปลกหน้า

มิลลิบอทรุ่นใหม่ดูเหมือนเป็นลูกผสมระหว่าง Wall-E และ TARS ซึ่งเป็นหุ่นยนต์แนวตะเกียบที่พับได้ ระหว่างดวงดาว. เครื่องพิมพ์ 3 มิติเต็มรูปแบบ ได้ทำลายความเชื่อดั้งเดิมสำหรับการสร้างหุ่นยนต์ โดยปกติ หุ่นยนต์ต้องการส่วนประกอบที่เป็นอิสระหลายอย่าง: เซ็นเซอร์เพื่อสำรวจสภาพแวดล้อม ไมโครโปรเซสเซอร์สำหรับ "สมอง" ตัวกระตุ้นสำหรับการเคลื่อนไหว และแหล่งจ่ายไฟเพื่อขับเคลื่อนทั้งระบบ แต่ละลิงก์มีแนวโน้มที่จะล้มเหลว

ที่นี่ ทีมงานได้รวมแต่ละองค์ประกอบไว้ในการออกแบบเดียว ส่วนประกอบสำคัญประการแรกคือวัสดุเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งจะแปลงสนามไฟฟ้าเป็นแรงตึงทางกลและในทางกลับกัน พวกมันคือ “กล้ามเนื้อ” ที่ชี้นำการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ แต่พวกเขาทำหน้าที่สามอย่าง ขึ้นอยู่กับสถานะของ metamaterial มันสามารถก่อให้เกิดกระดูกสันหลังเหมือนเซรามิกเพื่อช่วยให้มิลลิบอตรักษารูปร่างของมัน ในช่วงที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า มันจะทำหน้าที่เหมือนเซลล์ประสาท จับสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อควบคุม “กล้ามเนื้อ” การเพิ่มความสามารถของบอทให้สูงขึ้นไปอีกคือองค์ประกอบอัลตราโซนิกที่หลอมรวมเข้ากับบอท ซึ่งช่วยให้มันสัมผัสได้ถึงสภาพแวดล้อมรอบตัว

โดยรวมแล้ว มิลลิบอตธรรมดานั้นมีหลายระบบผสมกันเป็นสารที่หนาสีขาวที่มองเห็นได้เพียงอันเดียว: ระบบประสาทที่สามารถสัมผัสและกระตุ้นได้ ส่วนประกอบ "กล้ามเนื้อ" และโครงสร้างโครงร่าง การนำสารที่หนาไปใส่ในเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ทีมงานได้สร้างโครงตาข่ายที่ซับซ้อนเป็นกระดูกสันหลังของหุ่นยนต์ โดยแต่ละชิ้นตกแต่งอย่างประณีตด้วยโลหะนำไฟฟ้าและคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกตามภูมิภาคเฉพาะ

ผลลัพธ์? หุ่นยนต์ตัวเล็ก ๆ ที่แตะเข้าไปในสนามไฟฟ้าเพื่อสัมผัสและนำทางสิ่งแวดล้อมของมัน สิ่งที่น่าประทับใจยิ่งกว่าคือความสามารถในการ "เข้าใจ" การเคลื่อนไหวร่างกายของตัวเองและวางไว้ในอวกาศ ซึ่งเป็นกลอุบายที่เรียกว่า ที่ได้รับการขนานนามว่า "สัมผัสที่หก" ของการรับรู้ของมนุษย์และไม่ค่อยนำมาใช้กับหุ่นยนต์

ด้วยความท้าทายเล็กน้อย ผู้เขียนจึงได้แสดงความสามารถของบอทในครั้งต่อไป หุ่นยนต์ตัวหนึ่งสำรวจสิ่งกีดขวางบนถนนอย่างเชี่ยวชาญในแบบเรียลไทม์ เนื่องจากมนุษย์ค่อยๆ หย่อนสิ่งกีดขวางโดยอาศัยการป้อนกลับจากอัลตราซาวนด์ ในการทดสอบอีกครั้ง หุ่นยนต์กระโดดในระยะทางไกลและเลี้ยวโค้งอย่างเชี่ยวชาญ ด้วยความล่าช้าเพียงเสี้ยววินาที หุ่นยนต์กบกระโดดได้บนพื้นผิวที่ขรุขระหลายๆ แห่งโดยไม่ต้องเหนื่อย ซึ่งเป็นงานยนต์ที่ก่อนหน้านี้ทำให้บอทตัวอื่นๆ สับสน

มิลลิบอตยังสร้างล่อที่ยอดเยี่ยมอีกด้วย แม้จะมีน้ำหนักบรรทุกอยู่ที่ 500 เปอร์เซ็นต์ เช่น แหล่งพลังงานออนบอร์ด ไดรเวอร์ และไมโครคอนโทรลเลอร์ พวกมันก็สามารถเคลื่อนย้ายได้อย่างง่ายดายด้วยความเร็วที่ลดลงเพียง 20 เปอร์เซ็นต์ ในทางปฏิบัติ มหาอำนาจทำให้บอทเหล่านี้เป็นโครงนั่งร้านที่ยอดเยี่ยมในฐานะเครื่องส่งยาที่วันหนึ่งอาจเดินเตร่ในกระแสเลือดของเรา

หนทางที่จะไป

วัสดุเพียโซอิเล็กทริกชิ้นเดียวสามารถยืดหยุ่นได้มาก โดยมีความอิสระหกองศา—ความสามารถในการขยายเชิงเส้นในสามแกน (เช่น การงอแขนไปข้างหน้า ด้านข้าง และด้านหลัง) และหมุนตามการหมุน ต้องขอบคุณการผลิตแบบเพิ่มเนื้อของการศึกษานี้ ทำให้ง่ายต่อการออกแบบสถาปัตยกรรมหุ่นยนต์ต่างๆ ที่นำทางโดยอัลกอริธึมที่สร้างสรรค์

ทีมงาน “ผสมผสานการกระตุ้นและการรับรู้เข้าด้วยกันอย่างมีศิลปะในรูปแบบย่อส่วน

โครงตาข่ายสามมิติที่เคลื่อนที่ไปรอบๆ และสัมผัสได้ถึงสภาพแวดล้อม” Rafsanjani กล่าว

หุ่นยนต์อาจดูเหมือนเป็นปริศนาที่ไม่สอดคล้องกัน: สิ่งมีชีวิตที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งทำจากกระดูกสันหลังที่มีลักษณะเหมือนเซรามิกแข็งพร้อม metamaterial เดียว แต่มนุษย์เราก็เช่นกัน—เราถูกสร้างขึ้นจากเซลล์ที่มีรูปร่าง ขนาด และความสามารถแตกต่างกันอย่างมากมาย การปรับแนวคิดที่ใช้ในการออกแบบหุ่นยนต์เพียโซอิเล็กทริกทำให้หุ่นยนต์แบบนิ่มมีมุมมองใหม่ ซึ่งอาจนำไปสู่วัสดุประดิษฐ์ที่หลอกล่อร่างกายของเราได้

การศึกษา "นำ metamaterial ของหุ่นยนต์เข้ามาใกล้ระบบทางชีววิทยา ทีละฟังก์ชัน" Rafsanjani กล่าว

เครดิตภาพ: Rayne Research Group

• คอยน์สมาร์ท การแลกเปลี่ยน Bitcoin และ Crypto ที่ดีที่สุดในยุโรป
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าฟรี
• คริปโตฮอว์ก เรดาร์ Altcoin ทดลองฟรี.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/