Edulliset 3D‑painetut robotit toimivat ilman elektroniikkaa

Yhdellä tulostuskerralla valmistettu pehmeä robotti

Kalifornian yliopiston San Diegon kampuksen tutkijat esittelivät kuusijalkaisen pehmeän robotin, jonka runko, liikkeeseen tarvittavat rakenteet ja paineilman ohjauspiiri voidaan valmistaa yhdellä pöytämallisen 3D-tulostimen tulostuskerralla. Robotissa ei ole elektronista ohjainta tai sähkömoottoria. Se tarvitsee silti ulkoisen paineilman tai painekaasupatruunan toimiakseen; sitä ei voi kuvata energialähteettömäksi laitteeksi.

Miksi pehmeän robotin valmistus on vaikeaa?

Perinteiset robotit koostuvat usein erikseen valmistetuista rungosta, moottoreista, akuista, antureista ja ohjaimista. Pehmeissä roboteissa joustavat materiaalit voivat helpottaa liikkumista ahtaissa tiloissa ja erimuotoisten esineiden käsittelyä. Ohjaus vaatii kuitenkin tavallisesti pumppuja, venttiilejä ja muuta erillistä laitteistoa. Silikonimuottien käyttö ja käsin tehtävä kokoonpano hidastavat monia aiempia valmistustapoja.

Yichen Zhain, Jiayao Yanin ja Michael T. Tolleyn ryhmän Advanced Intelligent Systems -lehdessä julkaisema tutkimus osoittaa, että paineilmalla ohjattu kävelevä robotti voidaan tulostaa yhtenä kokonaisuutena ilman jälkikokoonpanoa. Työhön osallistui myös BASFin tutkijoita materiaalien kehityksessä. Kyse on laboratoriossa tutkitusta prototyypistä, ei valmiista yleiskäyttöisestä pelastusrobotista.

Kuinka robotti kävelee ilman elektroniikkaa?

Robotin kuusi joustavaa jalkaa liikkuvat paineilman avulla. Rungon sisään tulostettu nestemäistä tai kaasumaista virtausta ohjaava piiri sisältää nelivaiheisen kaksivakaisen oskilloivan venttiilin. Jatkuva paineilmasyöttö muuttuu venttiilien kautta toistuviksi painejaksoiksi, jotka ohjaavat jalkaryhmiä vuorotellen. Siten robotti saa aikaan askelsarjan ilman sähköistä ajastinta tai mikro-ohjainta.

Suljettujen, ilmatiiviiden kanavien tulostaminen oli olennainen tekninen ongelma. Ryhmä suunnitteli materiaalin ja rakenteen siten, että joustavat kalvot sekä ilmakanavat toimivat heti tulostuksen jälkeen. Pöytätulostimeen tarvittavat materiaalit ovat kaupallisesti saatavilla, mutta tulosteen toiminta edellyttää oikeaa materiaalia, asetuksia ja paineilmasyöttöä.

Voit katsoa tutkimusryhmän esittelyvideon. Se näyttää kokeellisen laitteen liikkumista, eikä ole todiste siitä, että robotilla olisi itsenäinen ympäristön ymmärrys.

Mittaukset ja kestävyys

Tutkijat tarkastelivat ensin jalkojen liikkeitä robotin ollessa ilmassa ja säätivät kävelykuviota. Yhdessä kokeessa 16 gramman CO₂-patruuna, jonka paine säädettiin noin 20 psi:n tasolle, antoi noin 80 sekuntia toimintaa. Sileällä alustalla robotti eteni noin 85 senttimetriä 21 sekunnissa, eli keskimäärin noin neljä senttimetriä sekunnissa. Ryhmä kokeili liikettä myös nurmella, hiekalla ja vedessä.

Erillisessä kestävyyskokeessa yksittäinen oskilloiva venttiili toimi 19 809 sykliä ennen rikkoutumista. Luku kuvaa kyseistä venttiilitestiä, ei koko robotin taattua käyttöikää. Kalvot olivat järjestelmän rasittuvimpia osia. Alkuperäisen artikkelin väite, että kokonainen robotti toimisi kolme vuorokautta keskeytyksettä, ei seuraa 80 sekunnin patruunakokeesta eikä venttiilin syklimäärästä.

Mahdolliset käyttötavat ja rajoitukset

Yhdellä tulostuksella valmistettava robotti voisi helpottaa nopeaa prototypointia ja erikoismuotoisten laitteiden valmistusta. Vahvan säteilyn, veden tai muiden elektroniikalle haastavien ympäristöjen sovellukset ovat tutkimusmahdollisuuksia. Niihin tarvitaan erilliset kokeet, riittävä kaasunsyöttö, hallittu ohjaus sekä materiaalien ja venttiilien pitkäaikainen kestävyys.

Alkuperäinen teksti esitti noin 20 dollarin hinnan ja kaupallistumisen 3–5 vuodessa. Nämä eivät ole vahvistettuja tuotantokustannuksia tai julkaisuaikatauluja. Materiaali, tulostin, kaasupatruunat ja käyttöjärjestelyt vaikuttavat todelliseen kokonaiskustannukseen. Tutkijat selvittävät muun muassa kaasun varastointia ja materiaaleja, mutta eivät ole osoittaneet valmista massatuotantoa tai itsenäistä etsintä- ja pelastuskykyä.

Yhtiöesimerkki

3D Systems Corporation (DDD ) valmistaa lisäainevalmistuksen tuotteita ja palveluja. Se ei ollut tämän UC San Diegon tutkimuksen tekijä. Yhden pehmeän robotin laboratoriotulos ei ennusta yhtiön liikevaihtoa tai osakekurssia. Vanhojen henkilöstö- ja liikevaihtolukujen sijasta ajantasaiset tiedot on tarkistettava yhtiön raporteista.

Yhteenveto

Tutkimus osoittaa, että yksinkertainen kävelevä pehmeä robotti ja sen paineilmaohjaus voidaan tulostaa yhdessä vaiheessa ja käynnistää paineilmalähteen avulla. Uutuus on valmistuksen ja ohjauksen yhdistelmä. Käyttökelpoisuus vaativissa tehtävissä, pitkä käyttöikä ja tuotantokustannukset on vielä osoitettava erikseen. Lue alkuperäinen tutkimus.