2022-06-19
 
工程师创建单步一体式3D打印方法来制作机器人材料
2022年06月19日   阅读量:72

加州大学洛杉矶分校的一个工程师团队及其同事开发了一种新的设计策略和3D打印技术,可以一步完成机器人的制造。

《科学》杂志上发表了一项研究,概述了这一进展,以及一系列能够行走、机动和跳跃的微型机器人的构造和演示。

这一突破使操作机器人所需的整个机械和电子系统能够通过一种新型的3D打印工艺一次性制造出来,该工艺适用于具有多种功能的工程活性材料(也称为超材料)。3D打印后,“元机器人”将能够推进、移动、感知和决策。

印刷的超材料由感觉、运动和结构元素组成的内部网络组成,可以按照编程命令自行移动。由于移动和传感的内部网络已经就位,唯一需要的外部组件是一个小电池来为机器人供电。

该研究的首席研究员、土木与环境工程副教授郑晓宇(Rayne)表示:“我们设想,这种智能机器人材料的设计和印刷方法将有助于实现一类自主材料,可以取代目前制造机器人的复杂装配工艺。”,以及加州大学洛杉矶分校塞缪利工程学院机械和航空航天工程专业。“复杂的运动、多种传感模式和可编程的决策能力都紧密结合在一起,就像一个生物系统,神经、骨骼和肌腱协同工作,执行受控的运动。”

该团队演示了与车载电池和控制器的集成,以实现3D打印机器人的完全自主操作鈥攅指甲大小的ach。郑先生同时也是加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所的成员,他表示,这种方法可能会为生物医学机器人带来新的设计,例如自动转向内窥镜或微型游泳机器人,这些机器人可以发射超声波并在血管附近导航,从而将药物剂量输送到体内特定的靶点。

这些“元机器人”还可以探索危险环境。例如,在一座倒塌的建筑物中,一群配备集成传感部件的微型机器人可以快速进入密闭空间,评估威胁程度,并通过寻找被困在瓦砾中的人员来帮助救援工作。

大多数机器人,无论大小,通常都是在一系列复杂的制造步骤中制造出来的,这些步骤集成了肢体、电子和活动部件。与使用这种新方法制造的机器人相比,这种方法重量更重,体积更大,输出的力也更小。

UCLA led一体化方法的关键是压电超材料的设计和印刷鈥攁 一类复杂的晶格材料,可在电场作用下改变形状和移动,或因物理力产生电荷。

使用能够将电转化为运动的活性材料并不是什么新鲜事。然而,这些材料的运动范围和移动距离通常有限制。它们还需要连接到类似变速箱的传动系统,以实现所需的运动。

相比之下,加州大学洛杉矶分校开发了机器人材料鈥攅一便士大小的ach鈥攁由复杂的压电和结构元件重新组合而成,设计用于高速弯曲、弯曲、扭转、旋转、膨胀或收缩。

该团队还提出了一种设计这些机器人材料的方法,使用户可以制作自己的模型,并将材料直接打印到机器人上。

该研究的主要作者、郑的添加剂制造和超材料实验室的加州大学洛杉矶分校博士后崔华晨(Huachen Cui)说:“这使得驱动元件可以在整个机器人中精确地排列,以便在各种地形上进行快速、复杂和延伸的运动。”。“借助双向压电效应,机器人材料还可以自我感知其扭曲,通过回声和超声波发射检测障碍物,并通过反馈控制回路对外部刺激做出响应,该回路确定机器人的移动方式、移动速度以及移动目标。”

使用该技术,团队构建并演示了三个具有不同功能的“元机器人”。一个机器人可以绕过S形拐角和随机放置的障碍物,另一个机器人可以在接触碰撞时逃跑,而第三个机器人可以在崎岖的地形上行走,甚至可以进行小跳跃。

这项研究的其他加州大学洛杉矶分校的作者是研究生姚德胜、RyanHensleigh、徐振鹏和陆浩田;博士后学者阿里尔·卡尔德隆;开发工程助理王震。其他作者是弗吉尼亚理工大学的研究助理SheydaDavaria;Patrick Mercier,加州大学圣地亚哥分校电气和计算机工程副教授;以及德克萨斯农工大学机械工程教授巴勃罗·塔拉扎加。

这项技术融合了Zheng和Hensleigh之前开发的3D打印技术,当时他们都是拥有该专利的弗吉尼亚理工大学的研究人员。研究人员计划通过加州大学洛杉矶分校技术开发小组为加州大学洛杉矶分校开发的新方法申请额外的专利。

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