Lavpris 3D-printede robotter opererer uden elektronik

I verden af robotfabrikation er drømmen om at producere maskiner, der er klar til brugekte fra produktionslinjen, stadig mange år væk, eller det var det i hvert fald. Et hold af forskere ved University of California har nylig chokeret markedet efter at have offentliggjort detaljer om en ny fabrikationsmetode og robotdesign, der ikke kræver elektricitet og er klar til brugekte fra printeren. Her er, hvad du behøver at vide om 3D-printede robotter.

Hvordan bliver robotter lavet? En udforskning af moderne robotfabrikationsteknikker

Der er mange forskellige typer robotter og endnu flere måder at skabe disse enheder på. Traditionelle robotter kan bygges på samlebånd og kan kræve mange trin for at samles og komme i gang. For eksempel kan du have en producent, der laver kroppen, mens andre producerer elektroniske komponenter, batterier, kontrolenheder og andre kernekomponenter.

Hvad er bløde robotter? Fordele og virkelige anvendelser

Bløde robotter er en anden type maskine, der afviser den stive eksoskelet, der findes i traditionelle robotter. I stedet bruger bløde robotter alternative materialer som silikoner og designs, der tillader dem at ændre form. De primære fordele ved bløde robotter er, at de understøtter manipulation, kan bevæge sig gennem komplekse miljøer og giver en sikker interaktion med mennesker.

Fremfremskridt i 3D-printning af bløde robotter med fluidiske kredsløb

Efterspørgslen efter bløde robotter har ført til flere opgraderinger af fremstillingsprocessen. Nylige gennembrud i 3D-printning har gjort det muligt for ingeniører at designe bløde robotter, der er mere kapable i en enkelt kørsel. I dag er de mest avancerede bløde robotfremstillingsmetoder reduceret kompleksiteten af bløde robotter.

For at opnå dette mål bruges pneumatisk kredsløb, der udnytter ikke-lineære materialerespons. Brugen af fluidisk kontrolkredsløb giver ingeniører mulighed for at producere flere enheder på ét sted. Bemærkelsesværdigt er ingeniørerne på dette projekt også afgørende i andre arbejder, herunder oprettelse af en 3D-printet robotisk griber og kravler med indbyggede kontrolkredsløb.

Udfordringer i 3D-printning og samling af bløde robotter

Der er mange problemer, der stadig står over for den bløde robotfremstillingssektor. For det første giver støbeformssystemer mulighed for at skabe dele, men kontrol af enhederne kræver yderligere komponenter. Desuden er det dyrt, arbejdskrævende og ikke let tilgængeligt for de fleste mennesker.

I mange tilfælde kræves et komplekst system af pumper, ventilatorer og andre elektroniske komponenter, der skal tilsluttes kroppen på en separat bræt via ledninger for at opnå nogen form for kontrolleret bevægelse. Behovet for at have støvlen tilkoblet eliminerer dens fordele og begrænser dens bløde robotkapaciteter, såsom navigation i små rum eller miljøer.

Ny studie afslører fuldt 3D-printet, elektronikfri gående robot

Studiet “Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots,”¹ offentliggjort i tidsskriftet Advanced Intelligent Systems, fremhæver, hvordan ingeniører har udviklet en fuldt 3D-printet, elektronikfri, seksbenet robot, der kan gå med det samme efter printning. Endnu mere imponerende er det faktum, at enheden er drevet udelukkende af en konstant lufttrykskilde.

Studiet er revolutionerende af flere grunde. For det første forklarer det i detaljer, hvordan ingeniører kan overvinde udfordringerne ved at printe en lukket ventil. I rapporten opnår teamet med succes af-printer-robot-bevægelse ved hjælp af symmetrisk oscillation via luftdrevne faseforsinkede ventiler.

Hvordan skrivebords-3D-printere giver fuldt funktionsdygtige bløde robotter

Bemærkelsesværdigt brugte ingeniørerne en standard, kommercielt tilgængelig 3D-skrivebordsprinter til at skabe bløde komponenter med komplekse geometrier, der kræver minimalt menneskeligt arbejde. Ingeniørerne forskede i flere materialer. De gik endda så langt som at samarbejde med BASF-korporationen via dens California Research Alliance (CARA) for at teste, hvilke materialer fungerede bedst til at skabe rammen, kunstige muskler og et kontrolsystem for teamets seksbenede robot.

Source UC San Diego

En 3D-printet gående robot, der fungerer med det samme efter printning

Den gående robot, som teamet printede, er i stand til at gå på egen hånd uden nogen elektroniske komponenter. I stedet afhænger den af komprimeret luft og et netværk af ventiler, der åbner og lukker baseret på trykændringer for at bevæge sine seks ben. Bemærkelsesværdigt kan teamets skabelse bevæge sig gennem ru terræn, uden ledning, ved hjælp af en komprimeret gaspatron som kraftkilde.

Robotben

En af de unikke aspekter af den standard-robot er dens ben-design. De seks ben blev printed ved hjælp af kommercielt tilgængelig 3D-print-filament. Hver af benene integrerer bløde, printbare, antagonistiiske pneumatisk aktuatorer. Dette setup giver hver udgift fire grader af frihed. Hver ben kan bevæge sig op, ned, frem og tilbage.

For at opnå en gående handling skal benene være forbundet til en form for trykkets luft eller væske. Under konstant tryk vil en sæt ben bøje ned, løfte kroppen højere og hjælpe robotterne med at klare ru terræn. Samtidig vil en anden sæt ben løfte lidt. Derefter bøjer den sidste sæt ben nedad og bagud for at skabe en fremadskubbehandling. Dette får de forreste ben til at bøje nedad, og fuldfører en skridt-cyklus.

Bløde aktuatorer

Bemærkelsesværdigt kan enheden opnå dette mål takket være integrationen af indbyggede fluidiske kredsløb i robotkroppen. Printning af disse enheder var sværere, end du ville forestille dig. Ingeniørerne måtte lægge betydelig indsats i at bestemme den bedste metode til at printe disse tætte komponenter som aktuatorer, ventiler og sensorer.

Pneumatisk oscillationskredsløb

I hjertet af denne næste generations bløde robotdesign er et printbart fluidisk oscillator-kredsløb. Dette kredsløb genererer fire cykliske output-tryksignaler, der er afgørende. Imponerende skabte ingeniørerne det for at opnå dette mål ved hjælp af kun en enkelt trykkilde.

De fastslog, at en monolitisk 3D-printbar fire-fase bistabil oscillationsventil var den bedste løsning. Deres specialbyggede oscillationsventil integrerer seks tilstande i en arbejdscyklus. For at opnå dette mål anvender den de mekaniske bevægelser af de indre membraner og ventilkanaler til at manipulere grænser, og skaber tilstandsændringer på grund af gradvise trykændringer.

Hver ventiligerer luftstrøm til næste trin i processen, når trykgrænser nås. Interessant var, da de blev spurgt om, hvordan teamet kom op med denne idé, svarede de, at designet var inspireret af tidlige lokomotiv-dampmaskiner.

Hvor holdbar er en 3D-printet robot? Testresultater afsløret

Laboratorietestfasen af den bløde robot begyndte med en åben luft-overvågningsproces. I dette trin blev robotten løftet, og lufttryk blev anvendt. Teamet noterede derefter de præcise handlinger, som robotten udførte, og hvordan de ville påvirke bevægelse, hvis robotten var på jorden. Efter at have optaget benenes bevægelser i luften kunne teamet justere designet for at skabe en tydelig gående mønster.

Det næste test var for at se, hvordan robotten fungerede på kun lufttryk. Teamet testede den elektronikfrie drift af robotten ved hjælp af en 16-g CO2-patron med en mekanisk regulator indstillet til 20 psi. De noterede, at de kunne få ca. 80 sekunders drift fra denne opsætning.

Lifetime-test

Herefter blev holdbarhed testet via livscyklusser. Teamet fokuserede på at teste en enkelt ventil for at få den mest detaljerede information. Som en del af testen blev konstant tryk anvendt, og dets effekter registreret. De noterede, at den oscillationsventil fungerede i 19.809 cyklusser, før den fuldstændigt fejlede.

3D-printede robotter testresultater

Laboratorietesten afslørede nogle imponerende resultater. For det første kunne robotten, som teamet skabte, bevæge sig gennem en bred vifte af terræn. Robotten krydsede med succes græs, sand og forskellige andre vanskelige terræner, herunder under vand.

Interessant gik robotten 85 cm på 21 sekunder med en hastighed på 4 cm i sekundet under dens glatte overflade-forsøg. Testen afslørede, at løftningen af benene i den første sekvens af dens skridt hjalp robotten med at opnå nok lift til at rejse gennem ru miljøer.

Holdbarhedstesten viser, at enhederne kan fungere uden afbrydelse i tre dage i træk. Desuden opdagede teamet, at den primære svage punkt i designet er de fire membraner i den oscillationsventil. Denne opdagelse var ikke en stor overraskelse, da disse er de komponenter, der udsættes for mest lufttryk, gentagen kraft og afbøjning inden for systemet.

Fordele ved 3D-printning af bløde robotter uden elektronik

Der er flere fordele, som 3D-printede robotstudiet giver. For det første kan disse enheder printes ved hjælp af en standard skrivebords-3D-løsning. Dette betyder, at disse enheder er let tilgængelige for den gennemsnitlige person eller virksomhed. De er klar til brug med det samme efter printning og kræver ingen menneskelig interaktion eller efter-print-rengøring for at være operativ.

Hvorfor 3D-printede robotter uden elektronik er en game-changer

Bestemt en af de fedeste aspekter af projektet er beslutningen om at eliminere behovet for elektronik. Evnen for disse robotter til at fungere uden elektronik betyder, at de er den åbenlyse løsning for miljøer, der ikke er elektronik-venlige.

Videnskabelige studier af rummet eller omkring højt strålings- eller magnetiske lokaliteter er et primært eksempel på, hvor disse enheder ville være nyttige. Desuden har undervandsmiljøer altid været problematiske for traditionel elektronik på grund af højtryksbegrænsninger.

Lavpris-robotter: Hvordan 3D-printning gør robotter billigere

Denne studie åbner døren for printning af super-lavpris-robotter. Enheden, som teamet ingeniører skabte, kostede omkring 20 dollars. Selvom dette kun kan gå, kan fremtidige designs hjælpe dig med at opnå kerneopgaver uden at øge din el-regning eller fremstillingsomkostninger.

3D-printede robotter: Virkelige anvendelser og hvornår du kan forvente dem

Der er flere anvendelser for elektronikfrie robotter. Disse enheder kan sendes ind for at udføre vigtig overvågning af fjendtlige eller farlige områder. Fordelene ved denne tilgang er, at en printer kan placeres på stedet, og robotter kan skabes på stedet. Denne strategi ville give mulighed for lettere transport.

Data i den bløde robotstudie kan føre til den hurtige udrulning af lavpris-, robuste enheder i miljøer, hvor traditionel elektronik fejler, såsom områder med stærk stråling, katastrofezoner eller endda andre planeter. Givet enkelheden og billigheden af designet kan praktiske anvendelser opstå inden for de næste 3 til 5 år.

Mød teamet bag den elektronikfrie 3D-printede robot

Studiet af 3D-printede robotter blev afholdt ved University of California, San Diego. De førende forfattere inkluderer Yichen Zhai, Jiayao Yan og Michael T. Tolley. Artiklen nævner også Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta og BASF California Research Alliance som bidragende til arbejdet. Desuden var studiet delvist finansieret af National Science Foundation.

Bemærkelsesværdigt har dette team været afgørende i udviklingen af blød robotteknologi. Gruppen introducerede en elektronikfri robot-griber i 2022. Denne erfaring hjalp dem med at skabe den næste generation af elektronikfrie enheder. Nu er deres mål at finde måder at flytte den komprimerede gaslagering internt og forskning i mere biologisk nedbrydelige materialer.

Topvirksomheder, der fremmer 3D-printning og blød robotteknologi

Brugen af robotter i hjemmet og forretningen er på vej op. Derfor er der en stærk efterspørgsel efter at dominere dette marked. Bemærkelsesværdigt har robot- og 3D-print-markederne mange nøgleaktører. Disse virksomheder har investeret milliarder i forskning og udvikling for at skabe fungerende næste generations-enheder. Her er en virksomhed, der fortsætter med at innovere og levere.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD ) indtrådte på markedet i 1986 og har hjemme i California. Dets oprindelige mål var at tilbyde næste generations 3D-print-tjenester til kommercielle kunder. Som en pioner inden for 3D-printning var virksomheden afgørende for prototyper og andre kritiske komponenter til luftfarts-, bil-, sundheds-, underholdnings- og industrielle markeder.

I dag er 3D Systems i front for at fremme additive fremstillings-teknologier, herunder anvendelser i robotteknologi. Virksomheden har +1.925 ansatte og rapporterede en omsætning på 488 millioner dollars i 2023. Desuden indgik virksomheden en strategisk partnerskab med Daimler Buses for at levere lokale 3D-printere, der kan producere reservedele.

Seneste nyt om 3D Systems Corp.

3D-printede robotter

Disse fremskridt repræsenterer endnu et skridt fremad i udviklingen af blød robotteknologi. Ved at eliminere behovet for elektronik og muliggøre fuld funktionalitet lige fra en skrivebords-3D-printer åbner denne forskning vejen for billige, robuste og udrulningsbare maskiner i miljøer, hvor traditionelle robotter fejler. Da udviklingen fortsætter, er de potentielle anvendelser – fra katastrofehjælp til rumforskning – enorme og inspirerende. En stærk hilsen til disse ingeniører for deres hårdt arbejde og indsats, der kan ændre retningen for robotindustrien fremad.

Lær om andre cool 3D-print-teknologiske gennembrud nu.

Studier, der er refereret til:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, M. T. (2025). Monolithic desktop digital fabrication of autonomous walking robots. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}