Ці 3D-друковані міліроботи можуть відчувати і реагувати на їхнє оточення

Міліробот виглядав як чарівний мультиплікаційний транспортний засіб, коли він майстерно переміщався по складному лабіринті. Це дивна істота: дно нагадує обвалений паркан; зверху — кошик, схожий на друшляк. Розміром з копійку, він здається крихким і зовсім невибагливим.

Але в його основі лежить потенційна зміна парадигми для створення автономних роботів, які можуть відчувати та реагувати на місцеве середовище. На відміну від класичних роботів, які збираються з кількох компонентів, міліробот є 3D надруковані з молочним метаматеріалом, який може гнучко змінювати свої властивості за допомогою кількох електричних ударів.

Метаматеріали звучать як щось із коміксів, але концепція проста. На відміну від дерева, скла та інших статичних матеріалів, на які ми легко покладаємося, щоб зберегти свою структуру, метаматеріали, які використовуються в дослідженні — п’єзоелектричні матеріали, — легко змінюють свою структуру під час впливу електромагнітного поля. Це дозволяє матеріалу скручуватися, викривлятися, стискатися або розширюватися. Намітьте кожен рух, і ви зможете створити робота та керувати ним.

Щоб створити бота, команда призначений установка для 3D-друку для друку роботизованих конструкцій з використанням п’єзоелектричних матеріалів. Як додаткове доповнення, команда надала ботам ультразвукове освітлення, вбудовуючи компоненти в матеріал, що допомогло роботам перетворювати вібрацію в електрику, щоб відчувати своє середовище.

Міліботи навчилися автономно ходити, стрибати та рятуватися від потенційних перешкод у реальному часі. Вони навіть могли здійснити похід на міні-пляж у лабораторії, легко переміщаючись по грубій піщаній місцевості, частково покритій зеленню.

Боти, хоч і ще рудиментарні, одного дня можуть допомогти доставити наркотики в замкнуті простори нашого тіла, якщо їх зменшити. Вони також можуть діяти як дешеві, крихітні, але потужні розвідники для дослідження нових або небезпечних середовищ.

Доктору Ахмаду Рафсанджані з Центру м'якої робототехніки Університету Південної Данії, який не брав участі У дослідженні міліботи привертають увагу до метаматеріалів як нового способу створення автономних роботів. У дослідженні «висвітлюється ширший погляд на «роботизовані матеріали», в якому межа між матеріалами та машинами стає непомітною», — написав він у відповідному коментарі. «Адитивне виробництво п’єзоелектричних метаматеріалів може призвести до матеріалізації повністю інтегрованих роботів, які в кінцевому підсумку можуть вийти прямо з 3D-принтера».

Мета-Що?

Метаматеріали дивні. Але завдяки їхнім екзотичним властивостям вчені з готовністю дослідили потенційне використання цих дивних качок. Класичним є оптика. Метаматеріали часто складаються з компонентів, які гнучко взаємодіють з електромагнітними хвилями, включаючи світло. У певному сенсі вони схожі на об’єктиви фотоапаратів або дзеркала, але мають надсилу швидко змінювати те, як вони спрямовують кожну світлову хвилю. Теоретично, ретельно створена структура з метаматеріалів могла б змінити всі типи окулярів — від лінз мікроскопів до лінз на наших обличчях.

Зовсім недавно вчені почали досліджувати інші види використання. Однією з основних зусиль є включення п'єзоелектричних матеріалів у нейроморфні чіпи, які приблизно імітують, як мозок обчислює та зберігає інформацію. Змінюючи властивості цих матеріалів за допомогою електричних полів, вчені можуть приблизно визначити, як синапси працюють з наднизькою енергією. Інші дослідження використав акробатичну здатність метаматеріалів змінювати свою форму, створюючи структури, які перетворюють лінійний рух — скажімо, крок краба — в обертання та механічні шестерні. Ніби твої ноги раптом перетворюються на обертові колеса.

Так, метаматеріали дивні. Як вони працюють?

Це допомагає уявити їх як старошкільні коробкові телевізори з антенами. Щоб налаштувати канал, тобто поведінку матеріалу, ви переміщуєте антени, доки їх структура не вступить у сильну взаємодію з радіохвилями, і вуальá, ви зрозуміли стан матеріалу. Потім його можна змішувати зі звичайними матеріалами для створення складних ґратоподібних структур, зберігаючи їх властивості метаморфозу. Ця гнучкість робить їх особливо інтригуючим полотном для проектування роботів. Оскільки вони майже єдина структура, у довгостроковій перспективі вони можуть допомогти створити розумний протезування менш схильні до виходу з ладу, оскільки вони не мають механічних рухомих частин. Замість пайки їх тепер можна роздрукувати на 3D. (Це дає мені все Westworld Vibes—механічна Долорес проти молочно-рідинної друкованої версії, будь-хто?).

дивні речі

Нові міліботи виглядають як гібрид Wall-E та TARS, ребристий складний робот, схожий на палички для їжі в міжзоряний. Повністю надруковані на 3D-друку, вони зруйнували звичайну догму щодо створення роботів. Зазвичай робот потребує кількох незалежних компонентів: датчиків для навігації в навколишньому середовищі, мікропроцесорів для «мозку», приводів для руху та джерела живлення для керування всією системою. Кожне посилання схильне до збою.

Тут команда об’єднала кожен компонент в один дизайн. Першим ключовим інгредієнтом є п’єзоелектричні матеріали, які перетворюють електричні поля в механічну напругу і навпаки. Вони є «м’язами», які керують рухом робота. Але вони виконують потрійну роботу. Залежно від стану метаматеріалу, він може утворювати керамічний хребет, щоб допомогти міліботу підтримувати свою форму. У своїй провідній фазі він діє як нервові клітини, захоплюючи електромагнітні сигнали, щоб керувати «м’язами». Ультразвуковий елемент, об’єднаний з ботом, допомагає йому відчувати навколишнє середовище.

Загалом, простий мілібот, по суті, має кілька систем, змішаних в одну блискучу білу слизь: нервову систему, здатну відчувати й активувати, «м’язовий» компонент і скелетну структуру. Доставивши клей на 3D-принтер, команда побудувала складні решітки як основу робота, кожна з яких була ретельно прикрашена провідними металами та п’єзоелектричними властивостями на певних ділянках.

Результат? Крихітний робот, який підключається до електричних полів, щоб відчувати та орієнтуватися в навколишньому середовищі. Ще більш вражаюча його здатність «розуміти» власні рухи тіла та місце в просторі — трюк, який називається пропріоцепцією. це було озвучено «шосте почуття» людського сприйняття і рідко реалізується в роботах.

Після кількох завдань автори продемонстрували майстерність ботів. Один робот майстерно переміщався по блокпостах у реальному часі, коли людина послідовно скидав бар’єри на основі ультразвукового зворотного зв’язку. В іншому тесті робот стрибав на великі відстані та вміло керував крутими поворотами. З мілісекундною затримкою, жаба-робот без поту перестрибнула на кілька грубих поверхонь — рухова задача, яка раніше збентежила інших ботів.

Міліботи також зробили чудових в’ючних мулів. Навіть маючи 500-відсоткову вагу корисного навантаження — наприклад, бортове джерело живлення, драйвер і мікроконтролер — вони могли легко пересуватися лише на 20-відсоткове зниження швидкості. На практиці ця суперсила робить цих ботів чудовими платформами для доставки наркотиків, які одного дня можуть блукати по нашому кровотоку.

Шляхи

Один шматок п’єзоелектричного матеріалу може бути надзвичайно гнучким, з шістьма ступенями свободи — можливістю лінійно розтягуватися по трьох осях (наприклад, згинати руку вперед, вбік і назад) і обертатися. Завдяки адитивному виробництву в дослідженні легко розробляти різні роботизовані архітектури, керуючись креативними алгоритмами.

Команда «майстерно переплела активацію та сприйняття в легкій мініатюрі

композитна тривимірна решітка, яка рухається і відчуває навколишнє», – сказав Рафсанджані.

Роботи можуть вийти як незрозуміла загадка: гнучка істота, виготовлена ​​з твердої кераміки, з одним метаматеріалом. Але й ми, люди, створені з клітин, які мають дуже різні форми, розміри та можливості. Адаптація ідей, які використовуються для розробки п’єзоелектричних роботів, дає м’якій робототехніці новий погляд, що потенційно може призвести до створення повністю штучних матеріалів, які б’ють з нашим тілом.

Дослідження «наближає роботизовані метаматеріали до біологічних систем, одну функцію за раз», — сказав Рафсанджані.

Авторство зображення: Rayne Research Group

• Coinsmart. Найкраща в Європі біржа біткойн та криптовалют.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. БЕЗКОШТОВНИЙ ДОСТУП.
• CryptoHawk. Альткойн Радар. Безкоштовне випробування.
• Джерело: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/