Новый метод 3D-печати «все-в-одном» создает роботов за один проход

Создан одноэтапный метод 3D-печати «все-в-одном» — с его помощью можно за один проход изготовить множество миниатюрных роботов, которые способны передвигаться, маневрировать, прыгать и принимать решения. Вероятнее всего, эти роботы будут предназначаться для доставки медикаментов или помощи в спасательных операциях.

Большинство роботов сегодня создается с помощью ряда сложных производственных этапов, в ходе которых отдельно собираются их конечности, электронные компоненты и механические части. Это позволяет производить все более крупных и тяжелых роботов, но благодаря новой технологии все может радикально измениться и существующий сложный процесс сборки для создания робота упростится.

Разработанная инженерами из Калифорнийского университета стратегия проектирования и технология 3D-печати позволяет создавать одновременно все электронные и механические компоненты, которые нужны для работы небольших роботов, способных передвигаться, маневрировать, прыгать, обнаруживать препятствия и принимать решения. А единственным необходимым «внешним» элементом таких роботов является батарея, которая обеспечивает питание, необходимое для их эксплуатации.

Исследование, в котором изложены подробности новой технологии, а также описан процесс создания роботов, вышло в журнале Science.

Напечатанный на 3D-принтере «метабот», разработанный инженерами Калифорнийского университета, способен передвигаться, маневрировать и даже принимать решения. Он изготавливается за один проход с помощью нового типа 3D-печати из метаматериалов. Изображение: Rayne Research Group/UCLA

Разгадка нового универсального метода кроется в печати из пьезоэлектрических метаматериалов, которые предназначены для изгиба, скручивания, вращения, расширения или сжатия при высоких температурах. Метаматериалы – это класс материалов со сложной решеткой, состоящих из нескольких компонентов и обладающих такими свойствами, которые невозможно встретить в природе и они сложно достижимы в технологическом смысле. Инженеры достигают таких свойств у материалов, изменяя природный состав элементов при помощи искусственных структур. Обычно эти материалы могут менять форму и передвигаться, реагируя на прикладываемое электрическое поле или физическое воздействие. Как правило, у метаматериалов есть ряд ограничений по расстояниям на которые они могут перемещаться, или по диапазону движений.

Однако эти материалы обычно имеют ограничения по диапазону движения и расстоянию перемещения. В данном же случае печатные метаматериалы имеют внутреннюю сеть сенсорных, подвижных и структурных элементов, предназначенных для сжатия, расширения, вращения, изгиба, скручивания на высоких скоростях — они способны передвигаться самостоятельно, следуя заданным программам. Благодаря двунаправленному пьезоэлектрическому эффекту эти материалы также могут обнаруживать препятствия с помощью ультразвука и реагировать на внешние раздражители через контур управления с обратной связью, которая определяет, как, с какой скоростью они перемещаются и какова их цель.

Напечатанная на 3D-принтере решетка из пьезоэлектрических метаматериалов, которые составляют основу «метабота». Изображение: Rayne Research Group/UCLA

Таким образом, когда внутренняя сеть движения и датчиков уже установлена в материалы для робота по умолчанию, то нужен только один внешний компонент — батарея для питания этого механизма. Ученые также смогли интегрировать в роботов бортовой аккумулятор и контроллер, чтобы они были полностью автономными.

Строение "метаботов" размером буквально с ноготь подобно биологической системе с нервами, костями и сухожилиями, работающими синхронно, чтобы роботы были способны на сложные движения, восприятие окружающей обстановки и были наделены программируемыми способностями к принятию решений.

С помощью этой технологии команда ученых построила трех «метаботов» с разными возможностями. Один мог передвигаться по S-образной траектории и избегать случайно размещенных препятствий. Второй робот "убегал" в ответ на прикосновение, а третий — перемещался по пересеченной местности и прыгал на небольшую высоту.

Создатели роботов уверены, что новая технология послужит основой для разработки биомедицинских роботов наподобие самоуправляемых эндоскопов или механизмов для доставки лекарственных препаратов в определенные участки человеческого тела. Также новые «метаботы» можно будет применять для спасательных операций: рой таких роботов сможет хорошо ориентироваться в разрушенном здании и быстро добираться до завалов, обнаруживая там людей.