Billige 3D‑printede robotter fungerer uden elektronik

I robotfremstillingsverdenen er drømmen om at producere maskiner, der er klar til at gå direkte fra produktionslinjen, stadig mange år væk, eller i hvert fald var den det. Et hold af forskere ved University of California overraskede nyligt markedet efter at have offentliggjort detaljer om en ny fremstillingsmetode og robotdesign, der ikke kræver elektricitet og er klar til at gå direkte fra printeren. Her er, hvad du behøver at vide om 3D‑printede robotter.

Hvordan fremstilles robotter? Udforskning af moderne robotfremstillingsteknikker

Der findes 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 blive samlet og sat i gang. For eksempel kan én producent fremstille kroppen, mens andre producerer elektroniske komponenter, batterier, controllere og andre kernekomponenter.

Hvad er bløde robotter? Fordele og anvendelser i den virkelige verden

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

Fremskridt inden for 3D‑print af bløde robotter med fluidiske kredsløb

Efterspørgslen efter bløde robotter har ført til flere opgraderinger af fremstillingsprocessen. Seneste gennembrud inden for 3D‑print har gjort det muligt for ingeniører at designe bløde robotter, der er mere kapable i én enkelt fremstilling. Dagens mest avancerede metoder til fremstilling af bløde robotter reducerer kompleksiteten af bløde robotter.

For at opnå dette anvendes pneumatiske kredsløb, der udnytter ikke‑lineære materialeresponser. Brug af fluidiske kontrolkredsløb gør det muligt for ingeniører at fremstille flere enheder på ét sted. Bemærkelsesværdigt var ingeniørerne i dette projekt også centrale i andre arbejder, herunder skabelsen af en 3D‑printet robotgreb og en crawler med indlejrede kontrolkredsløb.

Udfordringer ved 3D‑print og samling af bløde robotter

Der er mange problemer, som stadig påvirker fremstillingssektoren for blød robotteknik. For det første tillader støbeformssystemer fremstilling af dele, men styringen af enhederne kræver stadig ekstra komponenter. Derudover er det dyrt, arbejdskrævende og ikke let tilgængeligt for de fleste.

I mange tilfælde skal et komplekst system af pumper, ventiler og anden elektronik tilsluttes kroppen på et separat board via ledninger for at opnå nogen form for kontrolleret bevægelse. Kravet om, at robotten skal være tilsluttet, fjerner dens fordele og begrænser dens evner som blød robot, såsom at navigere i trange rum eller miljøer.

Ny undersøgelse afslører fuldt 3D‑printet, elektronikfri gående robot

Undersøgelsen “Monolitisk desktop digital fremstilling af autonome gående robotter,”¹ offentliggjort i tidsskriftet Advanced Intelligent Systems, fremhæver, hvordan ingeniører udviklede en fuldt 3D‑printet, elektronikfri, seksbenet robot, der kan gå umiddelbart efter udskrivning. Endnu mere imponerende er, at enheden kun drives af en konstant lufttrykskilde.

Undersøgelsen er revolutionerende af flere grunde. For det første forklarer den i detaljer, hvordan ingeniørerne formåede at overvinde udfordringerne ved at 3D‑print en lukket ventil. I rapporten lykkes holdet at opnå robotbevægelse direkte fra printeren ved at udnytte symmetrisk oscillation via luftdrevne faseforsinkelsesventiler.

Hvordan desktop‑3D‑printere muliggør fuldt funktionelle bløde robotter

Bemærkelsesværdigt brugte ingeniørerne en kommercielt tilgængelig desktop‑3D‑printer til at skabe bløde komponenter med komplekse geometrier, der kræver minimal menneskelig arbejdskraft. Ingeniørerne undersøgte flere materialer. De gik endda så langt som at indgå et partnerskab med BASF corporation via deres California Research Alliance (CARA) for at teste, hvilke materialer der fungerede bedst til at skabe rammen, kunstige muskler og et kontrolsystem til holdets seksbenet robot.

Kilde UC San Diego

En 3D‑printet gående robot, der fungerer direkte fra printeren

Den gående robot, som holdet printede, er i stand til at gå på egen hånd uden nogen elektroniske komponenter. I stedet er den afhængig af komprimeret luft og et netværk af ventiler, der åbner og lukker baseret på trykændringer for at bevæge sine seks ben. Bemærkelsesværdigt kan holdets skabelse bevæge sig over ujævnt terræn, ubundet, ved kun at bruge en komprimeret gaspatron som strømkilde.

Robotben

Et af de unikke aspekter ved den kommercielt tilgængelige robot er benenes design. De seks ben blev printet ved hjælp af kommercielt tilgængeligt 3D‑printfilament. Hvert ben integrerer bløde, printbare, antagonistiske pneumatiske aktuatorer. Denne opsætning giver hver benfire grader af bevægelse. Hvert ben kan bevæge sig op, ned, frem og tilbage.

For at skabe en gående handling skal benene kobles til en form for trykluft eller væske. Under konstant tryk vil et sæt ben bøje nedad, løfte kroppen højere og hjælpe robotten med at klare ujævnt terræn. Samtidig vil et andet sæt ben løfte sig let. Herefter bøjer det sidste sæt ben nedad og bagud for at skabe en fremadskubende handling. Dette får de forreste ben til at bøje nedad og fuldføre et skridtcirkel.

Bløde aktuatorer

Bemærkelsesværdigt kan enheden udføre denne opgave takket være integrationen af indlejrede fluidiske kredsløb i robotens krop. Printning af disse enheder var sværere, end man kunne forestille sig. Ingeniørerne måtte lægge betydelig indsats i at bestemme den bedste metode til at printe disse lufttætte komponenter som aktuatorer, ventiler og sensorer.

Pneumatisk oscillerende kredsløb

Kernen i dette næste generations bløde robotdesign er et printbart fluidisk oscillator‑kredsløb. Dette kredsløb genererer fire cykliske udgangstryksignaler, som er vitale. Imponerende har ingeniørerne skabt det til at udføre denne opgave ved kun at bruge en enkelt trykindgang.

De fastslog, at en monolitisk 3D‑printbar fire‑fase bistabil oscillationsventil var den bedste løsning. Deres specialbyggede oscillationsventil integrerer seks tilstande i én arbejds‑cyklus. For at udføre denne opgave udnytter den de mekaniske bevægelser af de indre membraner og ventilkanaler til at manipulere tærskler, hvilket skaber tilstandsændringer på grund af gradvise trykændringer.

Hver ventil dirigerer luftstrømmen til næste trin i processen, når trykgrænserne nås. Interessant nok, da de blev spurgt om, hvordan holdet kom på dette koncept, svarede de, at designet var inspireret af de tidlige damplokomotiver.

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

Laboratorie‑testfasen af den bløde robot startede med en åben‑luft overvågningsproces. I dette trin blev robotten løftet, og lufttryk blev påført. Holdet noterede derefter de præcise handlinger, robotten udførte, og hvordan de ville påvirke bevægelsen, hvis robotten var på jorden. Efter at have optaget benenes bevægelser i luften, kunne holdet justere designet for at skabe et tydeligt gangmønster.

Den næste test var at se, hvordan robotten fungerede kun med lufttryk. Holdet testede den elektronik‑fri drift af robotten ved hjælp af en 16‑g CO₂‑patron med en mekanisk regulator indstillet til 20 psi. De noterede, at de kunne opnå cirka 80 sekunders drift fra dette setup.

Levetidstest

Derefter blev holdbarheden testet via livscyklusser. Holdet fokuserede på at teste en enkelt ventil for at få mest detaljer. Som en del af testen blev konstant tryk påført, og effekterne blev registreret. De noterede, at den oscillerende ventil fungerede i 19.809 cyklusser, før den helt fejlede.

3D‑printede robotters testresultater

Laboratorietesten afslørede nogle imponerende resultater. For det første kunne robotten, som holdet skabte, krydse et bredt udvalg af terræn. Robotten krydsede succesfuldt græs, sand og forskellige andre svære terræner, inklusive undervandsområder.

Interessant nok gik robotten 85 cm på 21 sekunder med 4 cm pr. sekund under sine glatte overfladeforsøg. Testen afslørede, at løftehandlingen af benene i den første sekvens af skridtet hjalp robotten med at opnå nok løft til at bevæge sig gennem ru miljøer.

Holdbarhedstesten viser, at enhederne kan fungere uafbrudt i tre dage i træk. Derudover opdagede holdet, at det primære svage punkt i designet er de fire membraner i den oscillerende ventil. Denne opdagelse var ikke en stor overraskelse, da disse er de komponenter, der udsættes for mest lufttryk, gentagen kraft og deformation inden for systemet.

Fordele ved 3D‑print af bløde robotter uden elektronik

Der er flere fordele, som studiet om 3D‑printede robotter giver. For det første kan disse enheder printes ved hjælp af en almindelig desktop‑3D‑løsning. Denne tilgang betyder, at enhederne er let tilgængelige for den gennemsnitlige person eller virksomhed. De er klar fra printeren og kræver ingen menneskelig interaktion eller efter‑print oprydning for at være operationelle.

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

Helt sikkert er en af de fedeste aspekter ved projektet beslutningen om at fjerne behovet for elektronik. Evnen for disse robotter til at fungere uden elektronik betyder, at de er den oplagte løsning for miljøer, der ikke er elektronik‑venlige.

Videnskabelige studier i rummet eller omkring høje strålings‑ eller magnetiske lokationer er et fremragende eksempel på, hvor disse enheder ville være nyttige. Derudover har undervandsmiljøer altid været problematiske for traditionel elektronik på grund af højt tryk.

Billig robotteknik: Hvordan 3D‑print gør robotter billigere

Dette studie åbner døren for udskrivning af super‑billige robotter. Enheden, som holdets ingeniører skabte, kostede omkring $20. Selvom den kun kan gå, kan fremtidige designs hjælpe dig med at udføre kerneopgaver uden at øge din elregning eller fremstillingsomkostninger.

3D‑printede robotter: Anvendelser i den virkelige verden og hvornår man kan forvente dem

Der er flere anvendelser for elektronik‑fri robotter. Disse enheder kunne sendes ind for at udføre vigtig overvågning af fjendtlige eller farlige områder. Fordelen ved denne tilgang er, at en printer kan placeres på stedet, og robotter kan fremstilles på stedet. Denne strategi ville muliggøre lettere transport.

Dataene i studiet om bløde robotter kan føre til hurtig udrulning af lav‑pris, robuste enheder i miljøer, hvor traditionel elektronik fejler, såsom områder med stærk stråling, katastrofeområder eller endda andre planeter. Givet enkelheden og overkommeligheden af designet, kan praktiske anvendelser opstå inden for de næste 3 til 5 år.​

Mød holdet bag den elektronikfri 3D‑printede robot

Studiet om den 3D‑printede robot blev afholdt ved University of California, San Diego. De ledende forfattere inkluderer Yichen Zhai, Jiayao Yan og Michael T. Tolley. Papiret nævner også Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta og BASF California Research Alliance som bidragende til arbejdet. Derudover blev studiet delvist finansieret af National Science Foundation.

Bemærkelsesværdigt har dette hold været centralt i udviklingen af blød robotteknologi. Gruppen introducerede en elektronik‑fri robotgreb i 2022. Denne erfaring hjalp dem med at skabe næste generation af elektronik‑fri enheder. Nu er deres mål at finde måder at flytte den komprimerede gaslagring internt og undersøge flere biologisk nedbrydelige materialer.

Topvirksomheder, der fremmer 3D‑print og blød robotteknik

Brugen af robotter i hjemmet og i erhvervslivet er stigende. Derfor er der stor efterspørgsel efter at dominere dette marked. Bemærkelsesværdigt har robotik‑ og 3D‑print‑markederne mange nøglespillere. Disse virksomheder har investeret milliarder i F&U for at skabe fungerende næste‑generations enheder.  Her er én virksomhed, der fortsat innoverer og leverer.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD ) gik ind på markedet i 1986 og har base i Californien. Dens oprindelige mål var at tilbyde næste‑generations 3D‑printtjenester til kommercielle kunder. Som pioner inden for 3D‑print var virksomheden central i prototyping og andre kritiske komponenter for luftfarts-, bil-, sundheds‑, underholdnings‑ og industrimarkederne.

I dag er 3D Systems i frontlinjen for at fremme additive fremstillingsteknologier, inklusive anvendelser i robotik. Virksomheden har +1.925 ansatte og rapporterede $488 M i omsætning i 2023. Derudover indgik virksomheden et strategisk partnerskab med Daimler Buses for at levere lokale 3D‑printere, der kan skabe reservedele.

Seneste om 3D Systems Corp.

3D‑printede robotter

Disse fremskridt repræsenterer et nyt skridt fremad i udviklingen af blød robotteknik. Ved at fjerne behovet for elektronik og muliggøre fuld funktionalitet direkte fra en desktop‑3D‑printer, baner denne forskning vejen for overkommelige, robuste og deployerbare maskiner i miljøer, hvor traditionelle robotter fejler.  Efterhånden som udviklingen fortsætter, er de potentielle anvendelser—fra katastrofehjælp til rumforskning—omfattende og inspirerende. En stor hyldest til disse ingeniører for deres hårde arbejde og indsats, som kan ændre retningen for robotindustrien fremad.

Lær om andre seje 3D‑printgennembrud nu.

Studier refereret:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, M. T. (2025). Monolitisk desktop digital fremstilling af autonome gående robotter. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}