Billige 3D‑printede roboter fungerer uten elektronikk

In robotfabrikkens verden er drømmen om å produsere maskiner som er klare til å gå direkte fra produksjonslinjen fortsatt mange år unna, eller i hvert fall var den det. Et team av forskere ved University of California overrasket nylig markedet etter å ha offentliggjort detaljer om en ny fremstillingsmetode og robotdesign som ikke krever elektrisitet og er klar til å brukes rett fra skriveren. Her er det du trenger å vite om 3D‑printede roboter.

Hvordan blir roboter laget? Utforsker moderne robotfremstillingsteknikker

Det finnes mange forskjellige typer roboter og enda flere måter å lage disse enhetene på. Tradisjonelle roboter kan bygges på samlebånd og kan kreve mange trinn for montering og oppstart. For eksempel kan én produsent lage kroppen, mens andre produserer elektroniske komponenter, batterier, kontrollere og andre kjernekomponenter.

Hva er myke roboter? Fordeler og virkelige bruksområder

Myke roboter er en annen type maskin som gjør seg kvitt den stive eksoskjelettet som finnes i tradisjonelle roboter. I stedet bruker myke roboter alternative materialer som silikoner og design som gjør dem i stand til å endre formen. De viktigste fordelene med myke roboter er at de støtter manipulering, kan bevege seg gjennom komplekse miljøer, og gir sikker interaksjon med mennesker.

Fremskritt innen 3D‑printing av myke roboter med fluidiske kretser

Etterspørselen etter myke roboter har ført til flere oppgraderinger av produksjonsprosesser. Nylige gjennombrudd innen 3D‑printing har gjort det mulig for ingeniører å designe myke roboter som er mer kapable i én enkelt produksjon. Dagens mest avanserte metoder for fremstilling av myke roboter reduserer kompleksiteten til myke roboter.

For å oppnå dette brukes pneumatiske kretser som utnytter ikke‑lineære materialrespons. Bruken av fluidiske kontrollkretser gjør det mulig for ingeniører å produsere flere enheter på ett sted. Merk at ingeniørene i dette prosjektet også var sentrale i andre arbeider, inkludert å lage en 3D‑printet robotgrepsmekanisme og en krabberobot med innebygde kontrollkretser.

Utfordringer ved 3D‑printing og montering av myke roboter

Det er fortsatt mange problemer som påvirker produksjonssektoren for myke roboter. For det første tillater støpemodelleringssystemer å lage deler, men kontroll av enhetene krever fortsatt ekstra komponenter. I tillegg er det dyrt, arbeidskrevende, og ikke lett tilgjengelig for de fleste.

I mange tilfeller må et komplekst system av pumper, ventiler og annen elektronikk kobles til kroppen på et eget kort via ledninger for å oppnå noen form for kontrollert bevegelse. Kravet om at roboten må være tilkoblet eliminerer fordelene og begrenser dens evner som myk robot, for eksempel å navigere i trange rom eller miljøer.

Ny studie avslører fullt 3D‑printet, elektronikkfri gående robot

Studien “Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots,”¹ publisert i tidsskriftet Advanced Intelligent Systems, fremhever hvordan ingeniører utviklet en fullt 3D‑printet, elektronikkfri, seksbent robot som kan gå umiddelbart etter utskrift. Enda mer imponerende er at enheten kun drives av en konstant lufttrykkskilde.

Studien er revolusjonerende av flere grunner. For det første forklarer den i detalj hvordan ingeniørene klarer å overvinne utfordringene ved 3D‑printing av en lukket ventil. I rapporten oppnår teamet vellykket robotbevegelse rett fra skriveren ved å bruke symmetrisk oscillasjon via luftdrevne faseforsinkelsesventiler.

Hvordan skrivebord‑3D‑skrivere muliggjør fullt funksjonelle myke roboter

Merk at ingeniørene brukte en standard, kommersielt tilgjengelig 3D‑skrivebordsskriver for å lage myke komponenter med komplekse geometriske former som krever minimal menneskelig arbeidskraft. Ingeniørene undersøkte flere materialer. De gikk så langt som å inngå et partnerskap med BASF via deres California Research Alliance (CARA) for å teste hvilke materialer som fungerte best for å lage rammen, kunstige muskler og et kontrollsystem for teamets seksbente robot.

Kilde UC San Diego

En 3D‑printet gående robot som fungerer rett fra skriveren

Den gående roboten teamet skrev ut er i stand til å gå på egen hånd uten noen elektroniske komponenter. I stedet bruker den komprimert luft og et nettverk av ventiler som åpner og lukker basert på trykkendringer for å bevege de seks bena. Merk at teamets skapelse kan bevege seg over røft terreng, uten ledning, ved kun å bruke en komprimert gasspatron som strømkilde.

Robotben

Et av de unike aspektene ved den standardiserte roboten er benutformingen. De seks bena ble skrevet ut ved bruk av kommersielt tilgjengelig 3D‑printfilament. Hvert ben integrerer myke, utskrivbare, antagonistiske pneumatiske aktuatorer. Denne oppsettet gir hvert ben fire bevegelsesgrader. Hvert ben kan bevege seg opp, ned, fremover og bakover.

For å skape en gående bevegelse må bena kobles til en form for trykkluft eller væske. Under konstant trykk vil ett sett med ben bøye seg ned, løfte kroppen høyere og hjelpe roboten å komme seg over røft terreng. Samtidig vil et annet sett med ben løftes litt. Deretter bøyer det siste settet med ben seg nedover og bakover for å skape en fremover skyvehandling. Dette får de fremre benene til å bøye seg nedover, og fullfører et stegsyklus.

Myke aktuatorer

Merk at enheten kan utføre denne oppgaven takket være integreringen av innebygde fluidiske kretser i robotens kropp. Å skrive ut disse enhetene var vanskeligere enn man skulle tro. Ingeniørene måtte legge betydelig innsats i å finne den beste metoden for å skrive ut disse lufttette komponentene som aktuatorer, ventiler og sensorer.

Pneumatisk oscillerende krets

Kjernen i dette neste generasjons myke robotdesignet er en utskrivbar fluidisk oscillator‑krets. Denne kretsen genererer fire sykliske utgangstrykk‑signaler, som er avgjørende. Imponerende nok laget ingeniørene den for å utføre oppgaven ved kun å bruke en enkelt trykkinngang.

De fastslo at en monolitisk 3D‑utskrivbar fire‑fase bistabil oscillerende ventil var den beste løsningen. Deres spesialbygde oscillerende ventil integrerer seks tilstander i én arbeids‑syklus. For å utføre denne oppgaven utnytter den de mekaniske bevegelsene til de indre membranene og ventilkanalene for å manipulere terskler, og skaper tilstandsendringer på grunn av gradvise trykkendringer.

Hver ventil leder luftstrømmen til neste trinn i prosessen når trykkgrensene nås. Interessant nok, da de ble spurt om hvordan teamet kom på dette konseptet, svarte de at designet var inspirert av tidlige lokomotiv dampmaskiner.

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

Laboratorietestfasen for den myke roboten startet med en åpen‑luft overvåkningsprosess. I dette trinnet ble roboten løftet, og lufttrykk ble påført. Teamet noterte deretter de nøyaktige handlingene roboten utførte og hvordan de ville påvirke bevegelsen dersom roboten var på bakken. Etter å ha registrert benenes bevegelser i luften, kunne teamet justere designet for å skape et tydelig gangmønster.

Den neste testen var å se hvordan roboten fungerte kun med lufttrykk. Teamet testet den elektronikkfrie driften av roboten ved bruk av en 16‑g CO₂‑patron med en mekanisk regulator innstilt på 20 psi. De noterte at de kunne oppnå omtrent 80 sekunder drift med dette oppsettet.

Levetidstest

Deretter ble holdbarheten testet via livssykluser. Teamet fokuserte på å teste en enkelt ventil for å få mest mulig detalj. Som en del av testen ble konstant trykk påført og effektene registrert. De noterte at den oscillerende ventilen fungerte i 19 809 sykluser før den helt sviktet.

Testresultater for 3D‑printede roboter

Laboratorietesten avdekket noen imponerende resultater. For det første kunne roboten laget av teamet bevege seg over et bredt spekter av terreng. Robotten krysset vellykket gress, sand og ulike andre vanskelige terreng, inkludert under vann.

Interessant nok gikk roboten 85 cm på 21 sekunder med 4 cm per sekund under sine tester på glatte overflater. Testen viste at løftebevegelsen til benene i den første sekvensen av steget hjalp roboten med å oppnå nok løft til å bevege seg gjennom røffe miljøer.

Holdbarhetstesten viser at enhetene kan fungere uavbrutt i tre dager i strekk. I tillegg oppdaget teamet at hovedsvake punkt i designet er de fire membranene i den oscillerende ventilen. Denne oppdagelsen var ikke en stor overraskelse, da dette er komponentene som tåler mest lufttrykk, gjentatte krefter og avbøyning i systemet.

Fordeler med 3D‑printing av myke roboter uten elektronikk

Studien om 3D‑printede roboter gir flere fordeler. For det første kan disse enhetene skrives ut ved hjelp av en vanlig skrivebordsløsning for 3D‑printing. Denne tilnærmingen betyr at enhetene er lett tilgjengelige for den gjennomsnittlige personen eller bedriften. De er klare rett fra skriveren og krever ingen menneskelig interaksjon eller etter‑utskriftsrengjøring for å være operative.

Hvorfor 3D‑printede roboter uten elektronikk er en spillveksler

Definitivt en av de kuleste aspektene ved prosjektet er beslutningen om å fjerne behovet for elektronikk. Evnen til at disse robotene kan operere uten elektronikk betyr at de er den åpenbare løsningen for miljøer som ikke er elektronikkvennlige.

Vitenskapelige studier i rommet, eller i områder med høy stråling eller magnetiske forhold, er et hovedeksempel på hvor disse enhetene ville være nyttige. I tillegg har undervannsmiljøer alltid vært problematiske for tradisjonell elektronikk på grunn av høyt trykk.

Billig robotikk: Hvordan 3D‑printing gjør roboter rimeligere

Denne studien åpner døren for utskrift av super‑billige roboter. Enheten som teamets ingeniører laget kostet rundt $20. Selv om den kanskje bare kan gå, kan fremtidige design hjelpe deg med å utføre kjerneoppgaver uten å øke strømregningen eller produksjonskostnadene.

3D‑printede roboter: Virkelige bruksområder og når de kan forventes

Det finnes flere bruksområder for elektronikkfrie roboter. Disse enhetene kan sendes for å utføre viktig overvåkning av fiendtlige eller farlige områder. Fordelen med denne tilnærmingen er at en skriver kan settes ned på stedet og roboter kan lages på stedet. Denne strategien vil gjøre transport lettere.

Dataene i studien om myke roboter kan føre til rask utrulling av lavkost‑, robuste enheter i miljøer hvor tradisjonell elektronikk svikter, som områder med sterk stråling, katastrofeområder eller til og med andre planeter. Gitt enkelheten og rimeligheten i designet, kan praktiske anvendelser dukke opp innen de neste 3 til 5 år.

Møt teamet bak den elektronikkfrie 3D‑printede roboten

Studien om 3D‑printede roboter ble holdt ved University of California, San Diego. Hovedforfatterne inkluderer Yichen Zhai, Jiayao Yan og Michael T. Tolley. Papiret nevner også Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta og BASF California Research Alliance som bidragsytere til arbeidet. I tillegg ble studien delvis finansiert av National Science Foundation.

Merk at dette teamet har vært sentralt i utviklingen av myk robotteknologi. Gruppen introduserte en elektronikkfri robotgrepsmekanisme i 2022. Denne erfaringen hjalp dem med å lage neste generasjon av elektronikkfrie enheter. Nå er målet deres å finne måter å flytte lagringen av komprimert gass internt og forske på mer biologisk nedbrytbare materialer.

Toppbedrifter som fremmer 3D‑printing og myke robotteknologier

Bruken av roboter i hjemmet og i næringslivet øker. Som følge av dette er det stor etterspørsel etter å dominere dette markedet. Merk at robotikk‑ og 3D‑printing‑markedene har mange nøkkelaktører. Disse selskapene har investert milliarder i FoU for å skape fungerende neste‑generasjons enheter.  Her er ett selskap som fortsetter å innovere og levere.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD ) gikk inn i markedet i 1986 og er basert i California. Det opprinnelige målet var å tilby neste generasjons 3D‑printing‑tjenester til kommersielle kunder. Som en pioner innen 3D‑printing var selskapet sentralt i prototyping og andre kritiske komponenter for luftfarts-, bil-, helse‑, underholdnings- og industrimarkedene.

I dag er 3D Systems i frontlinjen for å fremme additive produksjonsteknologier, inkludert anvendelser innen robotikk. Selskapet har over 1 925 ansatte og rapporterte $488 M i inntekter i 2023. I tillegg inngikk selskapet et strategisk partnerskap med Daimler Buses for å levere lokale 3D‑skrivere som kan lage reservedeler.

Siste nytt om 3D Systems Corp.

3D‑printede roboter

Disse fremskrittene representerer et nytt skritt fremover i utviklingen av myke robotteknologier. Ved å fjerne behovet for elektronikk og muliggjøre full funksjonalitet rett fra en skrivebord‑3D‑printer, baner denne forskningen vei for rimelige, robuste og deployerbare maskiner i miljøer hvor tradisjonelle roboter svikter.  Etter hvert som utviklingen fortsetter, er de potensielle anvendelsene—fra katastrofehjelp til romutforskning—omfattende og inspirerende. En stor hyllest til disse ingeniørene for deres harde arbeid og innsats som kan endre retningen for robotikkindustrien fremover.

Lær om andre kule 3D‑printing‑gjennombrudd Nå.

Studier referert:

^{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}