Goedkope 3D-geprinte robots werken zonder elektronica

In de wereld van robotfabricage is de droom om machines te produceren die direct van de productielijn kunnen gaan nog vele jaren verwijderd, of althans dat was het geval. Een team van onderzoekers aan de University of California heeft onlangs de markt verbaasd door details vrij te geven van een nieuwe fabricagemethode en robotontwerp dat geen elektriciteit vereist en direct van de printer kan worden gebruikt. Hier is wat u moet weten over 3D-geprinte robots.

Hoe worden robots gemaakt? Moderne robotfabricagetechnieken verkennen

Er zijn veel verschillende soorten robots en nog meer manieren om deze apparaten te creëren. Traditionele robots kunnen op assemblagelijnen worden gebouwd en vereisen mogelijk veel stappen om te monteren en te laten werken. Bijvoorbeeld, één fabrikant kan het lichaam produceren, terwijl anderen elektronische componenten, batterijen, controllers en andere kernonderdelen produceren.

Wat zijn zachte robots? Voordelen en toepassingen in de praktijk

Zachte robots zijn een ander type machine die afziet van het stijve exoskelet dat in traditionele robots wordt gevonden. In plaats daarvan gebruiken zachte robots alternatieve materialen zoals siliconen en ontwerpen die hen in staat stellen hun vorm te veranderen. De belangrijkste voordelen van zachte robots zijn dat ze manipulatie ondersteunen, complexe omgevingen kunnen doorkruisen en veilige interactie met mensen bieden.

Vooruitgang in 3D-printen van zachte robots met vloeistofcircuits

De vraag naar zachte robots heeft geleid tot verschillende upgrades van het productieproces. Recente doorbraken in 3D-printen hebben ingenieurs in staat gesteld zachte robots te ontwerpen die in één enkele run capabeler zijn. De meest geavanceerde methoden voor de fabricage van zachte robots van vandaag verminderen de complexiteit van zachte robots.

Om deze taak te volbrengen, worden pneumatische circuits gebruikt die niet‑lineaire materiaalleveringen benutten. Het gebruik van vloeistofbesturingscircuits stelt ingenieurs in staat meer apparaten op één locatie te vervaardigen. Opmerkelijk is dat de ingenieurs van dit project ook een cruciale rol speelden in andere werken, waaronder het creëren van een 3D‑geprinte robotgrijper en kruiper met ingebedde besturingscircuits.

Uitdagingen bij het 3D-printen en assembleren van zachte robots

Er zijn nog veel problemen in de sector van de productie van zachte robotica. Ten eerste maken gietvormsystemen het mogelijk onderdelen te creëren, maar het controleren van de eenheden vereist nog steeds extra componenten. Ook is het duur, arbeidsintensief en niet gemakkelijk beschikbaar voor de meeste mensen.

In veel gevallen moet een complex systeem van pompen, kleppen en andere elektronica op een apart bord via draden met het lichaam worden verbonden om enige vorm van gecontroleerde voortbeweging te bereiken. De noodzaak om de robot te laten starten met een kabel elimineert de voordelen en beperkt de mogelijkheden van de zachte robot, zoals het navigeren door krappe ruimtes of omgevingen.

Nieuwe studie onthult volledig 3D-geprinte, elektronica‑vrije looprobot

De studie “Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots,”¹ gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Intelligent Systems, belicht hoe ingenieurs een volledig 3D‑geprinte, elektronica‑vrije, zesbenige robot hebben ontwikkeld die direct na het printen kan lopen. Nog indrukwekkender is het feit dat het apparaat uitsluitend wordt aangedreven door een constante luchtdrukbron.

De studie is om meerdere redenen revolutionair. Ten eerste legt het in detail uit hoe de ingenieurs de uitdagingen van het 3D‑printen van een gesloten klep hebben overwonnen. In het rapport slaagt het team erin om robotbeweging buiten de printer te realiseren door symmetrische oscillatie via lucht‑aangedreven fasevertragingkleppen te gebruiken.

Hoe desktop‑3D‑printers volledig functionele zachte robots mogelijk maken

Opmerkelijk is dat de ingenieurs een kant‑en‑klare, commercieel verkrijgbare desktop‑3D‑printer hebben gebruikt om zachte componenten met complexe geometrieën te creëren die minimale menselijke arbeid vereisen. De ingenieurs onderzochten verschillende materialen. Ze gingen zelfs zo ver dat ze een samenwerking aangingen met BASF via de California Research Alliance (CARA) om te testen welke materialen het beste werkten voor het frame, de kunstmatige spieren en het besturingssysteem van de zesbenige robot van het team.

Bron UC San Diego

Een 3D‑geprinte looprobot die direct van de printer werkt

De looprobot die het team heeft geprint, kan zelfstandig lopen zonder enige elektronische componenten. In plaats daarvan vertrouwt hij op samengeperste lucht en een netwerk van kleppen die openen en sluiten op basis van drukveranderingen om zijn zes benen te bewegen. Opmerkelijk is dat de creatie van het team ruw terrein kan doorkruisen, zonder kabel, met alleen een samengeperste gaspatroon als energiebron.

Robotpoten

Een van de unieke aspecten van de kant‑en‑klare robot is het ontwerp van de poten. De zes poten werden geprint met commercieel verkrijgbaar 3D‑printfilament. Elke poot integreert zachte, printbare, antagonistische pneumatische actuatoren. Deze opstelling biedt elke uitgave vier bewegingsgraden. Elke poot kan omhoog, omlaag, vooruit en achteruit bewegen.

Om een loopactie te creëren, moeten de poten worden verbonden met een vorm van onder druk staande lucht of vloeistof. Onder constante druk buigt een set poten naar beneden, waardoor het lichaam hoger wordt en de robot ruw terrein kan overwinnen. Tegelijkertijd tilt een andere set poten lichtjes op. Vervolgens buigt de laatste set poten naar beneden en naar achteren om een voorwaartse duwactie te creëren. Dit zorgt ervoor dat de voorpoten vervolgens naar beneden buigen, waardoor een stapcyclus wordt voltooid.

Zachte actuatoren

Opmerkelijk is dat het apparaat deze taak kan uitvoeren dankzij de integratie van ingebedde vloeistofcircuits in het lichaam van de robot. Het printen van deze apparaten was moeilijker dan men zou denken. De ingenieurs moesten veel moeite doen om de beste methode te bepalen om deze luchtdichte componenten zoals actuatoren, kleppen en sensoren te printen.

Pneumatisch oscillerend circuit

In de kern van dit next‑generation zachte robotontwerp staat een printbaar vloeistofoscillatorcircuit. Dit circuit genereert vier cyclische uitgangsdruksignalen, die van vitaal belang zijn. Indrukwekkend hebben de ingenieurs het zo ontworpen dat het deze taak kan uitvoeren met slechts één drukinvoer.

Ze bepaalden dat een monolithische 3D‑printbare vier‑fasen‑bistabiele oscillerende klep de beste oplossing was. Hun op maat gemaakte oscillerende klep integreert zes toestanden in één werkcyclus. Om deze taak te voltooien, maakt hij gebruik van de mechanische bewegingen van de binnenste membranen en klepkanalen om drempels te manipuleren, waardoor toestandsveranderingen ontstaan door geleidelijke drukveranderingen.

Elke klep leidt de luchtstroom naar de volgende fase van het proces wanneer de druklimieten worden bereikt. Interessant genoeg, toen ze werden gevraagd hoe het team op dit concept was gekomen, antwoordden ze dat het ontwerp was geïnspireerd door de vroege locomotieve stoommachines.

Hoe duurzaam is een 3D‑geprinte robot? Testresultaten onthuld

De laboratoriumtestfase van de zachte robot begon met een open‑lucht monitoringsproces. In deze stap werd de robot opgetild en werd luchtdruk toegepast. Het team noteerde vervolgens de exacte handelingen die de robot maakte en hoe deze de beweging zouden beïnvloeden als de robot op de grond zou staan. Na het opnemen van de bewegingen van de poten in de lucht, kon het team het ontwerp aanpassen om een duidelijk looppatroon te creëren.

De volgende test was om te zien hoe de robot functioneerde met alleen luchtdruk. Het team testte de elektronica‑vrije werking van de robot met een 16‑g CO2‑patroon met een mechanische regelaar ingesteld op 20 psi. Ze merkten op dat ze ongeveer 80 seconden werking konden krijgen met deze opstelling.

Levensduurtest

Vervolgens werd de duurzaamheid getest via levenscycli. Het team richtte zich op het testen van één klep om de meeste details te verkrijgen. Als onderdeel van de test werd constante druk toegepast en werden de effecten geregistreerd. Ze merkten op dat de oscillerende klep 19.809 cycli functioneerde voordat hij volledig faalde.

3D‑geprinte robots testresultaten

De laboratoriumtest leverde enkele indrukwekkende resultaten op. Ten eerste kon de robot die door het team is gemaakt een breed scala aan terrein doorkruisen. De robot slaagde erin gras, zand en verschillende andere moeilijke terreinen te doorkruisen, inclusief onder water.

Interessant genoeg liep de robot 85 cm in 21 seconden met 4 cm per seconde tijdens zijn tests op gladde oppervlakken. De test toonde aan dat de hefactie van de poten in de eerste stapreeks de robot genoeg lift gaf om door ruwe omgevingen te reizen.

De duurzaamheidstest toont aan dat de apparaten drie dagen onafgebroken kunnen functioneren. Bovendien ontdekte het team dat het belangrijkste zwakke punt van het ontwerp de vier membranen in de oscillerende klep zijn. Deze ontdekking was geen grote verrassing aangezien dit de componenten zijn die de meeste luchtdruk, herhaalde kracht en buiging binnen het systeem weerstaan.

Voordelen van 3D‑printen van zachte robots zonder elektronica

Er zijn meerdere voordelen die de studie over 3D‑geprinte robots biedt. Ten eerste kunnen deze apparaten worden geprint met een gewone desktop‑3D‑oplossing. Deze benadering betekent dat deze eenheden gemakkelijk toegankelijk zijn voor de gemiddelde persoon of onderneming. Ze zijn direct klaar van de printer en vereisen geen menselijke interactie of nabewerking om operationeel te zijn.

Waarom 3D‑geprinte robots zonder elektronica een game‑changer zijn

Zeker een van de coolste aspecten van het project is de beslissing om de noodzaak voor elektronica te elimineren. Het vermogen van deze bots om zonder elektronica te opereren betekent dat ze de voor de hand liggende oplossing zijn voor omgevingen die niet elektronica‑vriendelijk zijn.

Wetenschappelijke studies in de ruimte, of rond hoge straling of magnetische locaties, zijn een uitstekend voorbeeld van waar deze apparaten van pas zouden komen. Bovendien zijn onderwateromgevingen altijd problematisch geweest voor traditionele elektronica vanwege de hoge‑drukbeperkingen.

Low‑Cost Robotics: Hoe 3D‑Printing robots goedkoper maakt

Deze studie opent de deur voor het printen van super‑goedkope robots. Het apparaat dat de team‑ingenieurs hebben gecreëerd kostte ongeveer $20. Hoewel dit apparaat misschien alleen kan lopen, kunnen toekomstige ontwerpen u helpen kerntaken uit te voeren zonder uw elektriciteitsrekening of fabricagekosten te verhogen.

3D‑geprinte robots: Toepassingen in de praktijk en wanneer u ze kunt verwachten

Er zijn verschillende toepassingen voor elektronica‑vrije robots. Deze apparaten kunnen worden ingezet om belangrijke bewaking uit te voeren in vijandige of gevaarlijke gebieden. Het voordeel van deze aanpak is dat een printer ter plaatse kan worden neergezet en robots ter plekke kunnen worden gemaakt. Deze strategie zou het transport vergemakkelijken.

De gegevens uit de zachte robotstudie kunnen leiden tot snelle inzet van goedkope, veerkrachtige eenheden in omgevingen waar traditionele elektronica falen, zoals gebieden met sterke straling, rampzones, of zelfs andere planeten. Gezien de eenvoud en betaalbaarheid van het ontwerp, kunnen praktische toepassingen binnen de komende 3 tot 5 jaar ontstaan.

Ontmoet het team achter de elektronica‑vrije 3D‑geprinte robot

De 3D‑geprinte robotstudie werd gehost aan de University of California, San Diego. De hoofd‑auteurs zijn Yichen Zhai, Jiayao Yan en Michael T. Tolley. Het artikel vermeldt ook Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta en de BASF California Research Alliance als bijdragers aan het werk. Daarnaast werd de studie gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation.

Opmerkelijk is dat dit team een cruciale rol heeft gespeeld bij de ontwikkeling van zachte robottechnologie. De groep introduceerde in 2022 een elektronica‑vrije robotgrijper. Deze ervaring hielp hen de volgende generatie elektronica‑vrije apparaten te creëren. Nu is hun doel manieren te vinden om de samengeperste gasopslag intern te verplaatsen en meer biologisch afbreekbare materialen te onderzoeken.

Topbedrijven die 3D‑printing en zachte robotica vooruit helpen

Het gebruik van robots in huis en bedrijf neemt toe. Daarom is er sterke vraag om deze markt te domineren. Opmerkelijk zijn de robotica‑ en 3D‑printmarkten die veel sleutelspelers hebben. Deze bedrijven hebben miljarden geïnvesteerd in R&D om functionele next‑gen apparaten te creëren.  Hier is een bedrijf dat blijft innoveren en leveren.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD ) tradde de markt in 1986 binnen en is gevestigd in Californië. Het oorspronkelijke doel was om next‑generation 3D‑printdiensten aan commerciële klanten aan te bieden. Als pionier in 3D‑printen was het bedrijf cruciaal bij het prototypen en andere kritieke componenten voor de lucht‑ en automotive‑, gezondheids‑, entertainment‑ en industriële markten.

Vandaag is 3D Systems voorop bij het bevorderen van additive manufacturing‑technologieën, inclusief toepassingen in robotica. Het bedrijf heeft +1.925 werknemers en rapporteerde $488 M in omzet in 2023. Daarnaast heeft het bedrijf een strategisch partnerschap met Daimers Buses opgezet om lokale 3D‑printers te leveren die spares onderdelen kunnen creëren.

Laatste informatie over 3D Systems Corp.

3D‑geprinte robots

Deze vooruitgang vertegenwoordigt een nieuwe stap vooruit in de evolutie van zachte robotica. Door de noodzaak voor elektronica te elimineren en volledige functionaliteit direct vanaf een desktop‑3D‑printer mogelijk te maken, effent dit onderzoek de weg naar betaalbare, veerkrachtige en inzetbare machines in omgevingen waar traditionele robots tekortschieten. Naarmate de ontwikkeling voortschrijdt, zijn de potentiële toepassingen – van rampenhulp tot ruimteverkenning – enorm en inspirerend. Een welgemeend dankjewel aan deze ingenieurs voor hun harde werk en inspanningen die de koers van de robotica‑industrie in de toekomst kunnen veranderen.

Leer meer over andere coole doorbraken in 3D‑Printing Nu.

Studies Referenced:

^{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}