Des robots imprimés en 3D à faible coût fonctionnent sans électronique

Dans le monde de la fabrication robotisée, le rêve de fabriquer des machines prêtes à l'emploi dès leur sortie de la chaîne de production est encore loin d'être réalisable, ou du moins il l'était. Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie a récemment surpris le marché en présentant une nouvelle méthode de fabrication et un nouveau design de robot, sans électricité et prêt à l'emploi dès la sortie de l'imprimante. Voici ce que vous devez savoir à ce sujet. 3D imprimé robots.

Comment sont fabriqués les robots ? Exploration des techniques modernes de fabrication de robots

Il existe de nombreux types de robots et encore plus de façons de les fabriquer. Les robots traditionnels peuvent être construits sur des chaînes de montage et leur assemblage et leur mise en service peuvent nécessiter de nombreuses étapes. Par exemple, un fabricant peut produire le corps, tandis que d'autres produisent les composants électroniques, les batteries, les contrôleurs et autres composants essentiels.

Que sont les robots souples ? Avantages et utilisations concrètes

Robots mous Les robots souples sont un autre type de machine qui se débarrasse de l'exosquelette rigide des robots traditionnels. Ils utilisent à la place des matériaux alternatifs comme le silicone et des conceptions qui leur permettent de modifier leur forme. Leurs principaux avantages sont la manipulation, la capacité à traverser des environnements complexes et la sécurité des interactions avec les humains.

Progrès dans l'impression 3D de robots souples avec circuits fluidiques

La demande de robots souples a entraîné plusieurs améliorations des procédés de fabrication. Les récentes avancées de l'impression 3D ont permis aux ingénieurs de concevoir des robots souples plus performants en une seule opération. Les méthodes de fabrication les plus avancées aujourd'hui réduisent leur complexité.

Pour accomplir cette tâche, des circuits pneumatiques exploitant les réponses non linéaires des matériaux sont utilisés. L'utilisation de circuits de contrôle fluidique permet aux ingénieurs de fabriquer davantage de dispositifs en un seul endroit. Les ingénieurs de ce projet ont notamment joué un rôle essentiel dans d'autres travaux, notamment la création d'une pince et d'un robot à chenilles imprimés en 3D avec circuits de contrôle intégrés.

Défis de l'impression 3D et de l'assemblage de robots souples

Le secteur de la fabrication de robotique souple est encore confronté à de nombreux problèmes. D'une part, les systèmes de moulage par coulée permettent la création de pièces, mais le contrôle des unités nécessite toujours des composants supplémentaires. De plus, cette technologie est coûteuse, demande beaucoup de main-d'œuvre et est difficilement accessible au grand public.

Dans de nombreux cas, un système complexe de pompes, de valves et d'autres composants électroniques doit être connecté au corps via une carte séparée et des fils pour permettre une locomotion contrôlée. La nécessité d'attacher la botte annule ses avantages et limite ses capacités de robot souple, comme la navigation dans des espaces ou des environnements restreints.

Une nouvelle étude dévoile un robot marcheur entièrement imprimé en 3D et sans électronique

L'étude "Fabrication numérique monolithique de bureau de robots marcheurs autonomes, "¹ Publié dans la revue Advanced Intelligent Systems, ce rapport explique comment des ingénieurs ont développé un robot à six pattes entièrement imprimé en 3D, sans électronique, capable de marcher immédiatement après l'impression. Plus impressionnant encore, l'appareil est alimenté uniquement par une source d'air comprimé constante.

Cette étude est révolutionnaire à plusieurs titres. Elle explique en détail comment les ingénieurs ont réussi à surmonter les difficultés liées à l'impression 3D d'une valve fermée. Dans le rapport, l'équipe a réussi à déplacer un robot directement depuis l'imprimante grâce à une oscillation symétrique via des valves à retard de phase pneumatiques.

Comment les imprimantes 3D de bureau permettent de créer des robots souples entièrement fonctionnels

Les ingénieurs ont notamment utilisé une imprimante 3D de bureau standard pour créer des composants souples aux géométries complexes nécessitant un minimum de main-d'œuvre. Ils ont étudié plusieurs matériaux. Ils sont même allés jusqu'à s'associer à BASF, via sa California Research Alliance (CARA), pour tester les matériaux les plus performants pour la création du châssis, des muscles artificiels et du système de contrôle du robot à six pattes de l'équipe.

Source UC San Diego

Un robot marcheur imprimé en 3D qui fonctionne dès sa sortie de l'imprimante

Le robot marcheur imprimé par l'équipe est capable de marcher seul, sans aucun composant électronique. Il utilise de l'air comprimé et un réseau de valves qui s'ouvrent et se ferment en fonction des variations de pression pour actionner ses six pattes. Il est notamment capable de traverser des terrains accidentés, sans attache, grâce à une simple cartouche de gaz comprimé.

Jambes de robot

L'une des particularités de ce robot standard réside dans la conception de ses jambes. Les six jambes ont été imprimées à l'aide de filaments d'impression 3D disponibles dans le commerce. Chacune intègre des actionneurs pneumatiques antagonistes, souples et imprimables. Cette configuration offre à chaque articulation quatre degrés de mouvement : chaque jambe peut se déplacer vers le haut, vers le bas, vers l'avant et vers l'arrière.

Pour créer une action de marche, les jambes doivent être reliées à un fluide ou à de l'air comprimé. Sous une pression constante, une paire de jambes se plie, soulevant le corps et aidant le robot à franchir les terrains accidentés. Simultanément, une autre paire de jambes se lève légèrement. Ensuite, la dernière paire de jambes se plie vers le bas et l'arrière pour créer une poussée vers l'avant. Les jambes avant se plient alors vers le bas, complétant ainsi un cycle de pas.

Actionneurs souples

Ce dispositif peut notamment accomplir cette tâche grâce à l'intégration de circuits fluidiques intégrés au corps du robot. L'impression de ces dispositifs s'est avérée plus complexe qu'on ne l'imagine. Les ingénieurs ont dû déployer des efforts considérables pour déterminer la meilleure méthode d'impression de ces composants étanches tels que les actionneurs, les vannes et les capteurs.

Circuit oscillant pneumatique

Au cœur de ce robot souple de nouvelle génération se trouve un circuit oscillateur fluidique imprimable. Ce circuit génère quatre signaux de pression de sortie cycliques, essentiels. De manière impressionnante, les ingénieurs l'ont conçu pour accomplir cette tâche avec une seule entrée de pression.

Ils ont déterminé qu'une vanne oscillante bistable quadriphasée monolithique, imprimable en 3D, constituait la solution idéale. Leur vanne oscillante sur mesure intègre six états en un seul cycle de fonctionnement. Pour ce faire, elle exploite les mouvements mécaniques des membranes internes et des canaux de la vanne pour manipuler les seuils, créant ainsi des changements d'état dus aux variations progressives de pression.

Chaque vanne dirige le flux d'air vers l'étape suivante du processus lorsque les limites de pression sont atteintes. Il est intéressant de noter que, interrogés sur l'origine de ce concept, les membres de l'équipe ont répondu que sa conception s'inspirait des premières locomotives à vapeur.

Quelle est la durabilité d'un robot imprimé en 3D ? Résultats de tests dévoilés.

La phase de test en laboratoire du robot souple a débuté par une surveillance en plein air. Lors de cette étape, le robot a été soulevé et une pression d'air a été appliquée. L'équipe a ensuite noté les actions précises du robot et leur impact sur son mouvement s'il était au sol. Après avoir enregistré les mouvements des jambes en l'air, l'équipe a pu ajuster la conception pour créer un modèle de marche distinct.

Le test suivant consistait à vérifier le fonctionnement du robot uniquement avec de l'air comprimé. L'équipe a testé le fonctionnement sans électronique du robot en utilisant une cartouche de CO16 de 2 g avec un régulateur mécanique réglé à 20 psi. Ils ont constaté une autonomie d'environ 80 secondes avec cette configuration.

Test à vie

La durabilité a ensuite été testée sur plusieurs cycles de vie. L'équipe s'est concentrée sur une seule valve afin d'obtenir un maximum de détails. Lors de ce test, une pression constante a été appliquée et ses effets ont été enregistrés. Ils ont constaté que la valve oscillante a fonctionné pendant 19,809 XNUMX cycles avant de tomber en panne.

Résultats des tests de robots imprimés en 3D

Les tests en laboratoire ont révélé des résultats impressionnants. Le robot créé par l'équipe était capable de traverser une grande variété de terrains. Il a traversé avec succès gazon, sable et divers autres terrains difficiles, y compris sous l'eau.

Il est intéressant de noter que le robot a parcouru 85 cm en 21 secondes à une vitesse de 4 cm par seconde lors de ses essais sur surface lisse. Les tests ont révélé que l'action de levage des jambes lors de la première séquence de pas permettait au robot d'acquérir suffisamment de portance pour se déplacer dans des environnements accidentés.

Le test de durabilité montre que les appareils peuvent fonctionner sans interruption pendant trois jours. De plus, l'équipe a découvert que le principal point faible de la conception réside dans les quatre membranes de la valve oscillante. Cette découverte n'a pas été une grande surprise, car ce sont ces composants qui supportent le plus la pression d'air, les forces répétées et la déflexion au sein du système.

Avantages de l'impression 3D de robots souples sans électronique

L'étude sur les robots imprimés en 3D présente de nombreux avantages. Tout d'abord, ces appareils peuvent être imprimés à l'aide d'une solution 3D classique. Cette approche signifie que ces unités sont facilement accessibles au particulier ou à l'entreprise. Elles sont prêtes à l'emploi et ne nécessitent aucune intervention humaine ni aucun nettoyage post-impression pour être opérationnelles.

Pourquoi les robots imprimés en 3D sans électronique changent la donne

L'un des aspects les plus intéressants du projet est sans aucun doute la décision de se passer d'électronique. La possibilité pour ces bottes de fonctionner sans électronique en fait la solution idéale pour les environnements qui ne s'y prêtent pas.

Les études scientifiques menées dans l'espace, ou autour de zones fortement irradiées ou magnétiques, illustrent parfaitement l'utilité de ces dispositifs. De plus, les environnements sous-marins ont toujours été problématiques pour l'électronique traditionnelle en raison des contraintes de haute pression.

Robotique à bas prix : comment l'impression 3D rend les robots moins chers

Cette étude ouvre la voie à l'impression de robots à très bas coût. L'appareil créé par les ingénieurs de l'équipe a coûté environ 20 dollars. Même s'il ne pourra peut-être que marcher, de futurs modèles pourraient vous aider à accomplir des tâches essentielles sans augmenter votre facture d'électricité ni vos coûts de fabrication.

Robots imprimés en 3D : utilisations concrètes et quand les attendre

Les robots sans électronique offrent de nombreuses applications. Ces appareils pourraient être déployés pour assurer une surveillance importante dans des zones hostiles ou dangereuses. L'avantage de cette approche est qu'une imprimante pourrait être déposée sur place et les robots créés sur place. Cette stratégie faciliterait le transport.

Les données de l'étude sur les robots souples pourraient conduire au déploiement rapide d'unités résilientes et économiques dans des environnements où l'électronique traditionnelle est défaillante, comme les zones à fortes radiations, les zones sinistrées, voire d'autres planètes. Compte tenu de la simplicité et du prix abordable de la conception, des applications pratiques pourraient voir le jour d'ici 3 à 5 ans.

Découvrez l'équipe derrière le robot imprimé en 3D sans électronique

L'étude sur les robots imprimés en 3D a été menée à l'Université de Californie à San Diego. Les principaux auteurs sont Yichen Zhai, Jiayao Yan et Michael T. Tolley. L'article mentionne également la contribution d'Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta et de la BASF California Research Alliance. De plus, l'étude a été partiellement financée par la National Science Foundation.

Cette équipe a notamment joué un rôle essentiel dans le développement de la technologie robotique souple. Le groupe a lancé une pince robotisée sans électronique en 2022. Cette expérience lui a permis de créer la prochaine génération d'appareils sans électronique. Son objectif est désormais de trouver des moyens de déplacer le stockage de gaz comprimé en interne et de rechercher des matériaux plus biodégradables.

Les meilleures entreprises qui font progresser l'impression 3D et la robotique souple

L'utilisation des robots à la maison et au travail est en plein essor. Il existe donc une forte demande pour dominer ce marché. Les marchés de la robotique et de l'impression 3D comptent notamment de nombreux acteurs clés. Ces entreprises ont investi des milliards dans la R&D pour créer des appareils fonctionnels de nouvelle génération. Voici une entreprise qui continue d'innover et de fournir des résultats.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD + 5.7%) Implantée en Californie, elle a fait son entrée sur le marché en 1986. Son objectif initial était de proposer des services d'impression 3D de nouvelle génération à une clientèle commerciale. Pionnière de l'impression 3D, l'entreprise a joué un rôle crucial dans le prototypage et la fabrication d'autres composants essentiels pour les marchés de l'aérospatiale, de l'automobile, de la santé, du divertissement et de l'industrie.

Aujourd'hui, 3D Systems est à la pointe des technologies de fabrication additive, notamment en robotique. L'entreprise compte plus de 1,925 488 employés et a réalisé un chiffre d'affaires de 2023 millions de dollars en 3. Par ailleurs, elle a conclu un partenariat stratégique avec Daimler Buses pour la fourniture d'imprimantes XNUMXD locales capables de produire des pièces détachées.

Dernières nouvelles sur 3D Systems Corp.

Robots imprimés en 3D

Ces avancées représentent une nouvelle avancée dans l'évolution de la robotique souple. En éliminant le recours à l'électronique et en permettant une utilisation complète directement depuis une imprimante 3D de bureau, ces recherches ouvrent la voie à des machines abordables, résilientes et déployables dans des environnements où les robots traditionnels sont défaillants. À mesure que le développement se poursuit, les applications potentielles – des secours en cas de catastrophe à l'exploration spatiale – sont vastes et stimulantes. Un vibrant hommage à ces ingénieurs pour leur travail acharné et leurs efforts qui pourraient changer le cours de l'industrie robotique.

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Études référencées :

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R. et Tolley, MT (2025). Fabrication numérique monolithique de bureau de robots marcheurs autonomesSystèmes intelligents avancés. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}