Günstige 3D-gedruckte Roboter funktionieren ohne Elektronik

In der Welt der Robotikfertigung ist der Traum, Maschinen herzustellen, dieekt von der Produktionslinie bereit sind, noch viele Jahre entfernt, oder zumindest war es so. Ein Team von Forschern an der University of California hat den Markt recently schockiert, nachdem sie Details einer neuen Fertigungsmethode und eines Roboterdesigns veröffentlicht haben, das keine Elektronik benötigt undekt nach dem Druck bereit ist. Hier ist, was Sie über 3D-gedruckte Roboter wissen müssen.

Wie werden Roboter hergestellt? Moderne Robotikfertigungstechniken erkunden

Es gibt viele verschiedene Arten von Robotern und noch mehr Möglichkeiten, diese Geräte herzustellen. Traditionelle Roboter können auf Montagebändern gebaut werden und benötigen viele Schritte, um sie zusammenzubauen und in Betrieb zu nehmen. Zum Beispiel kann ein Hersteller den Körper produzieren, während andere die elektronischen Komponenten, Batterien, Steuerungen und andere Kernkomponenten herstellen.

Was sind weiche Roboter? Vorteile und reale Anwendungen

Weiche Roboter sind eine andere Art von Maschine, die auf den starren Exoskelett von traditionellen Robotern verzichtet. Stattdessen verwenden weiche Roboter alternative Materialien wie Silikone und Designs, die es ihnen ermöglichen, ihre Form zu ändern. Die Hauptvorteile von weichen Robotern sind, dass sie Manipulation unterstützen, komplexe Umgebungen durchqueren und eine sichere Interaktion mit Menschen ermöglichen.

Fortschritte bei der 3D-Druckherstellung von weichen Robotern mit Fluid-Schaltkreisen

Die Nachfrage nach weichen Robotern hat zu mehreren Verbesserungen der Fertigungsprozesse geführt. Jüngste Durchbrüche bei der 3D-Drucktechnologie ermöglichen es Ingenieuren, weiche Roboter zu entwerfen, die in einem einzigen Durchgang mehr leisten können. Heute sind die fortschrittlichsten Methoden der weichen Robotikfertigung weniger komplex.

Um dies zu erreichen, werden pneumatische Schaltkreise verwendet, die nichtlineare Materialreaktionen nutzen. Die Verwendung von Fluid-Steuerungsschaltkreisen ermöglicht es Ingenieuren, mehr Geräte an einem einzigen Ort herzustellen. Bemerkenswerterweise waren die Ingenieure dieses Projekts auch an anderen Arbeiten beteiligt, darunter die Erstellung eines 3D-gedruckten Roboter-Greifers und eines Kriechers mit eingebetteten Steuerungsschaltkreisen.

Herausforderungen bei der 3D-Druckherstellung und Montage von weichen Robotern

Es gibt noch viele Probleme, die der weichen Robotikfertigungsbranche gegenüberstehen. Einerseits ermöglichen Gussformensysteme die Erstellung von Teilen, aber die Steuerung der Einheiten erfordert zusätzliche Komponenten. Außerdem ist es teuer, arbeitsintensiv und nicht leicht zugänglich für die meisten Menschen.

In vielen Fällen muss ein komplexes System von Pumpen, Ventilen und anderen Elektronikkomponenten mit dem Körper auf einem separaten Brett über Kabel verbunden werden, um eine kontrollierte Fortbewegung zu erreichen. Die Notwendigkeit, den Stiefel anzuschließen, eliminiert seine Vorteile und begrenzt seine Fähigkeiten als weicher Roboter, wie z.B. die Navigation in engen Räumen oder Umgebungen.

Neue Studie enthüllt vollständig 3D-gedruckten, elektronischen Roboter

Die Studie “Monolithische Desktop-Digitalfertigung von autonomen Laufrobotern” veröffentlicht im Journal Advanced Intelligent Systems, zeigt, wie Ingenieure einen vollständig 3D-gedruckten, elektronischen sechsbeinigen Roboter entwickelten, derekt nach dem Druck laufen kann. Noch beeindruckender ist die Tatsache, dass das Gerät allein durch eine konstante Luftdruckquelle angetrieben wird.

Die Studie ist aus mehreren Gründen revolutionär. Einerseits erklärt sie detailliert, wie die Ingenieure die Herausforderungen des 3D-Druckens eines geschlossenen Ventils überwinden. Im Bericht erreichen die Forscher erfolgreich eine Roboter-Fortbewegungekt nach dem Druck mithilfe symmetrischer Oszillation über luftgesteuerte Phasenverschiebungsventile.

Wie ermöglichen es Desktop-3D-Drucker, voll funktionsfähige weiche Roboter herzustellen

Bemerkenswerterweise verwendeten die Ingenieure einen kommerziell erhältlichen 3D-Desktop-Drucker, um weiche Komponenten mit komplexen Geometrien herzustellen, die minimale manuelle Arbeit erfordern. Die Ingenieure untersuchten verschiedene Materialien. Sie gingen sogar so weit, mit dem BASF-Konzern über sein California Research Alliance (CARA) zusammenzuarbeiten, um zu testen, welche Materialien am besten für die Herstellung des Rahmens, der künstlichen Muskeln und des Steuersystems des sechsbeinigen Roboters geeignet waren.

Source UC San Diego

Ein 3D-gedruckter Laufroboter, derekt nach dem Druck funktioniert

Der Laufroboter, den das Team druckte, kann ohne elektronische Komponenten laufen. Stattdessen verlässt er sich auf komprimierte Luft und ein Netzwerk von Ventilen, die sich aufgrund von Druckänderungen öffnen und schließen, um seine sechs Beine zu bewegen. Bemerkenswerterweise kann die Kreation des Teams über raues Gelände, unabhängig und nur mit einer komprimierten Gaspatrone als Energiequelle, laufen.

Roboterbeine

Einer der einzigartigen Aspekte des serienmäßigen Roboters ist sein Bein-Design. Die sechs Beine wurden mithilfe kommerziell erhältlicher 3D-Druck-Filamente gedruckt. Jedes der Beine integriert weiche, druckbare, antagonistische pneumatische Aktoren. Diese Konstruktion ermöglicht jedem Bein vier Freiheitsgrade. Jedes Bein kann sich nach oben, unten, vorwärts und rückwärts bewegen.

Um eine Laufbewegung zu erzeugen, müssen die Beine mit einer Art komprimierter Luft oder Flüssigkeit verbunden werden. Unter konstantem Druck beugt sich ein Satz Beine nach unten, hebt den Körper höher und hilft dem Roboter, raues Gelände zu überwinden. Gleichzeitig hebt sich ein anderer Satz Beine leicht an. Von dort aus beugt sich der letzte Satz Beine nach unten und nach hinten, um eine Vorwärtsbewegung zu erzeugen. Dies verursacht, dass die vorderen Beine nach unten beugen, um einen Schrittzyklus abzuschließen.

Weiche Aktuatoren

Bemerkenswerterweise kann das Gerät diese Aufgabe dank der Integration von eingebetteten Fluid-Schaltkreisen im Körper des Roboters ausführen. Das Drucken dieser Geräte war schwieriger, als man sich vorstellen kann. Die Ingenieure mussten erhebliche Anstrengungen unternehmen, um die beste Methode zum Drucken dieser dichten Komponenten wie Aktoren, Ventilen und Sensoren zu bestimmen.

Pneumatischer Oszillations-Schaltkreis

Im Kern dieses Next-Generation-Soft-Roboter-Designs befindet sich ein druckbarer Fluid-Oszillator-Schaltkreis. Dieser Schaltkreis generiert vier zyklische Ausgangsdrucksignale, die von entscheidender Bedeutung sind. Bemerkenswerterweise schufen die Ingenieure ihn, um diese Aufgabe mithilfe eines einzigen Druckeintrags zu erfüllen.

Sie stellten fest, dass ein monolithischer 3D-druckbarer vierphasiger bistabiler Oszillator-Ventil die beste Lösung war. Ihr benutzerdefiniertes Oszillator-Ventil integriert sechs Zustände in einem Arbeitszyklus. Um diese Aufgabe zu erfüllen, nutzt es die mechanischen Bewegungen der inneren Membranen und Ventilkanaele, um Schwellenwerte zu manipulieren und Zustandsänderungen aufgrund allmählicher Druckänderungen zu erzeugen.

Jedes Ventil leitet den Luftfluss zum nächsten Schritt des Prozesses, wenn Druckgrenzen erreicht werden. Interessanterweise antworteten sie, als sie gefragt wurden, wie sie auf dieses Konzept kamen, dass das Design von frühen Lokomotiv-Dampfmaschinen inspiriert wurde.

Wie robust ist ein 3D-gedruckter Roboter? Testergebnisse enthüllt

Die Labor-Testphase des weichen Roboters begann mit einem offenen Überwachungsprozess. In diesem Schritt wurde der Roboter angehoben und Luftdruck angewendet. Das Team notierte dann die genauen Aktionen, die der Roboter ausführte, und wie sie die Bewegung beeinflussen würden, wenn der Roboter auf dem Boden wäre. Nachdem sie die Bewegungen der Beine in der Luft aufgezeichnet hatten, konnte das Team das Design anpassen, um ein deutliches Laufmuster zu erstellen.

Der nächste Test bestand darin, zu sehen, wie der Roboter nur mit Luftdruck funktionierte. Das Team testete den elektronischen Betrieb des Roboters mithilfe einer 16-g-CO2-Patrone mit einem mechanischen Regler, der auf 20 psi eingestellt war. Sie notierten, dass sie etwa 80 Sekunden Betrieb von diesem Setup erhalten konnten.

Lebensdauer-Test

Als nächstes wurde die Haltbarkeit durch Lebenszyklen getestet. Das Team konzentrierte sich auf die Erprobung eines einzelnen Ventils, um die meisten Details zu erhalten. Im Rahmen des Tests wurde konstanter Druck angewendet und seine Auswirkungen registriert. Sie notierten, dass das oszillierende Ventil 19.809 Zyklen funktionierte, bevor es vollständig ausfiel.

3D-gedruckte Roboter-Testergebnisse

Die Labor-Tests ergaben einige beeindruckende Ergebnisse. Einerseits konnte der vom Team erstellte Roboter eine breite Palette von Geländen durchqueren. Der Roboter überquerte erfolgreich Rasen, Sand und verschiedene andere schwierige Gelände, einschließlich unter Wasser.

Interessanterweise ging der Roboter 85 cm in 21 Sekunden bei 4 cm pro Sekunde während seiner glatten Oberflächen-Tests. Die Tests ergaben, dass die Hebeaktion der Beine in der ersten Sequenz seines Schritts half, dem Roboter genug Lift zu geben, um raue Umgebungen zu durchqueren.

Der Haltbarkeitstest zeigt, dass die Geräte drei Tage lang ununterbrochen funktionieren können. Außerdem entdeckte das Team, dass der Haupt-Schwachpunkt des Designs die vier Membranen im oszillierenden Ventil sind. Diese Entdeckung war keine große Überraschung, da diese die Komponenten sind, die den meisten Luftdruck, wiederholte Kraft und Ablenkung innerhalb des Systems aushalten.

Vorteile von 3D-gedruckten weichen Robotern ohne Elektronik

Es gibt mehrere Vorteile, die die 3D-gedruckte Roboter-Studie bietet. Einerseits können diese Geräte mithilfe einer regulären Desktop-3D-Lösung gedruckt werden. Dieser Ansatz bedeutet, dass diese Einheiten leicht für den Durchschnittsbenutzer oder Unternehmen zugänglich sind. Sie sindekt nach dem Druck bereit und erfordern keine menschliche Interaktion oder Nachbearbeitung, um funktionsfähig zu sein.

Warum 3D-gedruckte Roboter ohne Elektronik ein Game-Changer sind

Definitiv einer der coolsten Aspekte des Projekts ist die Entscheidung, die Notwendigkeit von Elektronik zu eliminieren. Die Fähigkeit dieser Roboter, ohne Elektronik zu funktionieren, bedeutet, dass sie die offensichtliche Lösung für Umgebungen sind, die nicht elektronikfreundlich sind.

Wissenschaftliche Studien in den Bereichen Weltraum oder in Bereichen mit hoher Strahlung oder magnetischen Feldern sind ein perfektes Beispiel dafür, wo diese Geräte nützlich wären. Außerdem sind Unterwasserumgebungen aufgrund der hohen Druckbeanspruchung für herkömmliche Elektronik immer problematisch gewesen.

Niedrigpreis-Robotik: Wie 3D-Druck Roboter günstiger macht

Diese Studie öffnet die Tür für den Druck von super-niedrigpreisigen Robotern. Das Gerät, das das Team entwickelte, kostete etwa 20 Dollar. Während dies nur laufen kann, könnten zukünftige Designs helfen, Kernaufgaben ohne Erhöhung der Stromrechnung oder Fertigungskosten zu erfüllen.

3D-gedruckte Roboter: Reale Anwendungen und wann man sie erwarten kann

Es gibt mehrere Anwendungen für elektronische Roboter. Diese Geräte könnten eingesetzt werden, um wichtige Überwachungen in feindlichen oder gefährlichen Gebieten durchzuführen. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass ein Drucker an einem Ort abgeworfen und Roboter vor Ort erstellt werden können. Diese Strategie würde eine einfachere Verbringung ermöglichen.

Die in der weichen Roboter-Studie enthaltenen Daten könnten zu einer schnellen Bereitstellung von niedrigpreisigen, widerstandsfähigen Einheiten in Umgebungen führen, in denen herkömmliche Elektronik versagt, wie z.B. in Bereichen mit starker Strahlung, Katastrophengebieten oder sogar anderen Planeten. Angesichts der Einfachheit und Zugänglichkeit des Designs könnten praktische Anwendungen innerhalb der nächsten 3 bis 5 Jahre entstehen.

Treffen Sie das Team hinter dem elektronischen 3D-gedruckten Roboter

Die 3D-gedruckte Roboter-Studie wurde an der University of California, San Diego, durchgeführt. Die Hauptautoren sind Yichen Zhai, Jiayao Yan und Michael T. Tolley. Der Artikel listet auch Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta und die BASF California Research Alliance als Mitwirkende an der Arbeit auf. Außerdem wurde die Studie teilweise von der National Science Foundation finanziert.

Bemerkenswerterweise war dieses Team von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der weichen Robotik-Technologie. Die Gruppe stellte 2022 einen elektronischen Roboter-Greifer vor. Diese Erfahrung half ihnen, die nächste Generation von elektronischen Geräten zu entwickeln. Jetzt ist ihr Ziel, Wege zu finden, um die komprimierte Gas-Speicherung intern zu bewegen und mehr biologisch abbaubare Materialien zu erforschen.

Top-Unternehmen, die 3D-Druck und weiche Robotik vorantreiben

Die Verwendung von Robotern in Haushalt und Unternehmen ist im Aufschwung. Als solche gibt es eine starke Nachfrage, diesen Markt zu dominieren. Bemerkenswerterweise haben die Robotik- und 3D-Druckmärkte viele Schlüsselspieler. Diese Unternehmen haben Milliarden in die Forschung und Entwicklung investiert, um funktionierende Next-Generation-Geräte zu schaffen. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin innovativ ist und liefert.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD ) trat 1986 in den Markt ein und hat seinen Sitz in Kalifornien. Sein anfängliches Ziel war es, Next-Generation-3D-Druck-Dienstleistungen für kommerzielle Kunden anzubieten. Als Pionier in der 3D-Drucktechnologie war das Unternehmen von entscheidender Bedeutung für die Erstellung von Prototypen und anderen kritischen Komponenten für die Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Gesundheits-, Unterhaltungs- und Industriemärkte.

Heute ist 3D Systems an der Spitze der Entwicklung von additiven Fertigungstechnologien, einschließlich Anwendungen in der Robotik. Das Unternehmen hat +1.925 Mitarbeiter und erzielte 2023 einen Umsatz von 488 Millionen Dollar. Außerdem schloss das Unternehmen eine strategische Partnerschaft mit Daimler Buses, um lokale 3D-Drucker bereitzustellen, die Ersatzteile herstellen können.

Neueste Informationen über 3D Systems Corp.

3D-gedruckte Roboter

Diese Fortschritte stellen einen weiteren Schritt in der Evolution der weichen Robotik dar. Durch die Eliminierung der Notwendigkeit von Elektronik und die Ermöglichung von voller Funktionalitätekt nach dem Druck aus einem Desktop-3D-Drucker ebnet diese Forschung den Weg für erschwingliche, widerstandsfähige und einsetzbare Maschinen in Umgebungen, in denen herkömmliche Roboter versagen. Wenn die Entwicklung weitergeht, sind die potenziellen Anwendungen – von der Katastrophenhilfe bis zur Weltraumforschung – umfassend und inspirierend. Ein starker Gruß an diese Ingenieure für ihre harte Arbeit und Bemühungen, die den Lauf der Robotik-Industrie in Zukunft verändern könnten.

Erfahren Sie mehr über andere coole 3D-Druck-Durchbrüche jetzt.

Studien, die zitiert wurden:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, M. T. (2025). Monolithische Desktop-Digitalfertigung von autonomen Laufrobotern. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}