Gli ingegneri dell’UCLA creano un metodo di stampa 3D all-in-one in un unico passaggio per realizzare materiali robotici
Advance mostra la promessa di “meta-bot” progettati per fornire farmaci o aiutare missioni di salvataggio
Un team di ingegneri dell’UCLA e i loro colleghi hanno sviluppato una nuova strategia di progettazione e una tecnica di stampa 3D per costruire robot in un unico passaggio.
Uno studio che ha delineato il progresso, insieme alla costruzione e alla dimostrazione di un assortimento di minuscoli robot che camminano, manovrano e saltano, è stato pubblicato su Science .
La svolta ha consentito di produrre tutti in una volta tutti i sistemi meccanici ed elettronici necessari per far funzionare un robot mediante un nuovo tipo di processo di stampa 3D per materiali attivi ingegnerizzati con molteplici funzioni (noti anche come metamateriali). Una volta stampato in 3D, un “meta-bot” sarà in grado di propulsione, movimento, rilevamento e processo decisionale.
I metamateriali stampati sono costituiti da una rete interna di elementi sensoriali, mobili e strutturali e possono muoversi da soli seguendo comandi programmati. Con la rete interna di movimento e rilevamento già in atto, l’unico componente esterno necessario è una piccola batteria per alimentare il robot.
“Prevediamo che questa metodologia di progettazione e stampa di materiali robotici intelligenti aiuterà a realizzare una classe di materiali autonomi che potrebbero sostituire l’attuale complesso processo di assemblaggio per realizzare un robot”, ha affermato Xiaoyu (Rayne) Zheng , ricercatore principale dello studio, professore associato di ingegneria civile e ambientale, e di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la Scuola di Ingegneria UCLA Samueli. “Con movimenti complessi, molteplici modalità di rilevamento e capacità decisionali programmabili, tutte strettamente integrate, è simile a un sistema biologico con nervi, ossa e tendini che lavorano in tandem per eseguire movimenti controllati”.
Il team ha dimostrato l’integrazione con una batteria di bordo e un controller per il funzionamento completamente autonomo dei robot stampati in 3D, ciascuno delle dimensioni di un’unghia. Secondo Zheng, che è anche membro del California NanoSystems Institute presso l’UCLA, la metodologia potrebbe portare a nuovi progetti per robot biomedici, come endoscopi autosterzanti o minuscoli robot per il nuoto, che possono emettere ultrasuoni e navigare se stessi vicino ai vasi sanguigni per somministrare dosi di farmaco in siti target specifici all’interno del corpo.
Questi “meta-bot” possono anche esplorare ambienti pericolosi. In un edificio crollato, ad esempio, uno sciame di robot così minuscoli armati di parti di rilevamento integrate potrebbe accedere rapidamente a spazi ristretti, valutare i livelli di minaccia e aiutare i soccorsi trovando persone intrappolate tra le macerie.
La maggior parte dei robot, indipendentemente dalle loro dimensioni, sono in genere costruiti in una serie di complesse fasi di produzione che integrano gli arti, i componenti elettronici e attivi. Il processo si traduce in pesi più pesanti, volumi più ingombranti e una riduzione della forza in uscita rispetto ai robot che potrebbero essere costruiti utilizzando questo nuovo metodo.
La chiave del metodo all-in-one guidato dall’UCLA è la progettazione e la stampa di metamateriali piezoelettrici, una classe di intricati materiali reticolari che possono cambiare forma e muoversi in risposta a un campo elettrico o creare carica elettrica come risultato di forze.
L’uso di materiali attivi in grado di tradurre l’elettricità in movimenti non è una novità. Tuttavia, questi materiali hanno generalmente limiti nella loro gamma di movimento e distanza di viaggio. Devono anche essere collegati a sistemi di trasmissione simili a riduttori per ottenere i movimenti desiderati.
Al contrario, i materiali robotici sviluppati dall’UCLA – ciascuno delle dimensioni di un centesimo – sono composti da intricati elementi piezoelettrici e strutturali progettati per piegarsi, flettersi, torcersi, ruotare, espandersi o contrarsi ad alte velocità.
Il team ha anche presentato una metodologia per progettare questi materiali robotici in modo che gli utenti possano creare i propri modelli e stampare i materiali direttamente in un robot.
“Ciò consente agli elementi di azionamento di essere disposti con precisione in tutto il robot per movimenti rapidi, complessi ed estesi su vari tipi di terreno”, ha affermato l’autore principale dello studio Huachen Cui, uno studioso post-dottorato dell’UCLA presso il Laboratorio di produzione additiva e metamateriali di Zheng . “Con l’effetto piezoelettrico a due vie, i materiali robotici possono anche percepire autonomamente le loro contorsioni, rilevare ostacoli tramite echi ed emissioni di ultrasuoni, nonché rispondere a stimoli esterni attraverso un circuito di controllo del feedback che determina come si muovono i robot, quanto velocemente muoversi e verso quale bersaglio si muovono.
Usando la tecnica, il team ha costruito e dimostrato tre “meta-bot” con capacità diverse. Un robot può navigare intorno agli angoli a forma di S e agli ostacoli posizionati casualmente, un altro può scappare in risposta a un impatto di contatto, mentre il terzo robot potrebbe camminare su terreni accidentati e persino fare piccoli salti.
Altri autori dell’UCLA dello studio sono gli studenti laureati Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu e Haotian Lu; lo studioso post-dottorato Ariel Calderon; Zhen Wang, socio di ingegneria dello sviluppo. Altri autori sono Sheyda Davaria, ricercatrice associata presso Virginia Tech; Patrick Mercier, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la UC San Diego; e Pablo Tarazaga, professore di ingegneria meccanica alla Texas A&M University.
La ricerca è stata supportata da un Young Faculty Award e da un Director’s Fellowship Award dalla US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), con finanziamenti aggiuntivi dall’Office of Naval Research degli Stati Uniti, dall’Air Force Office of Scientific Research e dalla National Science Foundation.
Il progresso incorpora tecniche di stampa 3D precedentemente sviluppate da Zheng e Hensleigh mentre entrambi erano ricercatori presso Virginia Tech, che detiene il brevetto. I ricercatori hanno in programma di depositare un brevetto aggiuntivo attraverso l’UCLA Technology Development Group per la nuova metodologia sviluppata presso l’UCLA.
