Ingenieros desarrollan un proceso de impresión 3D todo en uno de un solo paso para fabricar materiales robóticos (con video)

Ingenieros desarrollan un proceso de impresión 3D todo en uno de un solo paso para fabricar materiales robóticos (con video)


17 de junio de 2022

(Noticias de Nanowerk) Un equipo de ingenieros de UCLA y sus colegas han desarrollado una nueva estrategia de diseño y una técnica de impresión 3D para construir robots en un solo paso.

Se publicó en Ciencias («Diseño e impresión de metamateriales robóticos arquitectónicos tridimensionales propioceptivos»). Metabot impreso en 3D Un «metabot» impreso en 3D desarrollado por ingenieros de UCLA es capaz de propulsión, movimiento, percepción y toma de decisiones. Se fabrica a la vez mediante un novedoso proceso de impresión 3D para materiales activos de ingeniería con múltiples funciones (también conocidos como metamateriales). (Imagen: Grupo de Investigación Rayne/UCLA)

El avance permitió la fabricación simultánea de todos los sistemas mecánicos y electrónicos necesarios para operar un robot a través de un novedoso proceso de impresión 3D para materiales activos de ingeniería multifunción (también conocidos como metamateriales). Una vez impreso en 3D, un «meta-bot» podrá impulsarse, moverse, detectar y tomar decisiones.

Consistiendo en una red interna de elementos sensoriales, móviles y estructurales, los metamateriales impresos pueden moverse siguiendo comandos programados. Debido a que la red interna de sensores y movimiento ya está instalada, el único componente externo que se necesita es una pequeña batería para alimentar el robot.

«Prevemos que este método de diseño e impresión para materiales robóticos inteligentes ayudará a crear una clase de materiales autónomos que podrían reemplazar el complejo proceso de ensamblaje actual para fabricar un robot», dijo el investigador principal del estudio, Xiaoyu (Rayne) Zheng, profesor asociado de Ingeniería Civil. e Ingeniería Ambiental e Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA. «Con movimientos complejos, múltiples modos de percepción y capacidades de toma de decisiones programables, todo estrechamente integrado, se asemeja a un sistema biológico, con nervios, huesos y tendones trabajando juntos para realizar movimientos controlados».

El equipo demostró la integración con una batería y un controlador integrados para un funcionamiento completamente autónomo de los robots impresos en 3D, cada uno del tamaño de una uña. Según Zheng, quien también es miembro del Instituto de Nanosistemas de California en UCLA, la metodología podría conducir a nuevos diseños para robots biomédicos, como endoscopios autodirigidos o diminutos robots nadadores que pueden emitir ultrasonidos y navegar cerca de los vasos sanguíneos que están dispensación de dosis de Medicamentos en sitios objetivo específicos en el cuerpo.

Estos «meta-bots» también pueden explorar entornos peligrosos. Por ejemplo, en un edificio derrumbado, un enjambre de estos diminutos robots equipados con sensores incorporados podría acceder rápidamente a espacios reducidos, evaluar los niveles de amenaza y ayudar en los esfuerzos de rescate al encontrar personas atrapadas entre los escombros.

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Los «Meta-Bots» desarrollados por UCLA demuestran su flexibilidad y capacidad para navegar en terrenos difíciles y evitar obstáculos. (Video: Grupo de Investigación Rayne/UCLA)

La mayoría de los robots, independientemente de su tamaño, generalmente se construyen a través de una serie de pasos de fabricación complejos que integran las extremidades, los componentes electrónicos y los componentes activos. El proceso da como resultado pesos más pesados, volúmenes más voluminosos y menor potencia de salida en comparación con los robots que podrían construirse con este nuevo método.

La clave del método todo en uno, dirigido por UCLA, es el diseño y la impresión de metamateriales piezoeléctricos, una clase de materiales reticulares intrincados que cambian de forma y se mueven en respuesta a un campo eléctrico, o como resultado de fuerzas físicas y eléctricas. la carga puede generar fuerzas.

El uso de materiales activos que pueden convertir la electricidad en movimiento no es nuevo. Sin embargo, estos materiales generalmente tienen limitaciones en su rango de movimiento y distancia de movimiento. También necesitan estar conectados a sistemas de transmisión tipo engranaje para lograr los movimientos deseados.

En contraste, los materiales robóticos desarrollados por UCLA, cada uno del tamaño de un centavo, están hechos de elementos piezoeléctricos y estructurales intrincados diseñados para flexionarse, doblarse, torcerse, expandirse o contraerse a altas velocidades.

El equipo también presentó una metodología para diseñar estos materiales robóticos para que los usuarios puedan crear sus propios modelos e imprimir los materiales directamente en un robot.

«Esto permite la colocación precisa de actuadores en todo el robot para movimientos rápidos, complejos y expansivos sobre varios tipos de terreno», dijo el autor principal del estudio, Huachen Cui, becario postdoctoral de UCLA en el Laboratorio de Metamateriales y Fabricación Aditiva de Zheng. «Usando el efecto piezoeléctrico bidireccional, los materiales robóticos también pueden sentir sus contorsiones, detectar obstáculos a través de ecos y emisiones ultrasónicas, y responder a estímulos externos a través de un circuito de control de retroalimentación que determina cómo se mueven los robots, qué tan rápido se mueven y en .» a qué destino se están moviendo».

Usando la técnica, el equipo construyó y demostró tres «meta-bots» con diferentes habilidades. Un robot puede navegar alrededor de esquinas en forma de S y obstáculos colocados al azar, otro puede escapar del impacto de contacto, mientras que el tercer robot puede correr sobre terreno accidentado e incluso hacer pequeños saltos.



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