Недорогие 3D-печатные роботы работают без электроники

В мире робототехники мечта о производстве машин, готовых к работе сразу с конвейера, ещё не сбылась, или, по крайней мере, была. Группа исследователей из Калифорнийского университета недавно ошеломила рынок, опубликовав подробности о новом методе производства и конструкции робота, который не требует электричества и готов к работе сразу с принтера. Вот что вам нужно знать о… 3D напечатано роботы.

Как делают роботов? Изучение современных технологий изготовления роботов

Существует множество различных типов роботов и еще больше способов создания этих устройств. Традиционные роботы могут быть построены на сборочных линиях и могут потребовать много шагов для сборки и запуска. Например, у вас может быть один производитель, производящий корпус, в то время как другие производят электронные компоненты, батареи, контроллеры и другие основные компоненты.

Что такое мягкие роботы? Преимущества и реальное применение

Мягкие роботы — это еще один тип машин, которые избавляются от жесткого экзоскелета, который используется в традиционных роботах. Вместо этого мягкие роботы используют альтернативные материалы, такие как силиконы, и конструкции, которые позволяют им изменять свою форму. Главные преимущества мягких роботов в том, что они поддерживают манипуляции, могут пересекать сложные среды и обеспечивать безопасное взаимодействие с людьми.

Достижения в области 3D-печати мягких роботов с жидкостными контурами

Спрос на мягкие роботы привёл к ряду усовершенствований производственных процессов. Недавние достижения в области 3D-печати позволили инженерам создавать мягкие роботы, которые могут быть более производительными за один проход. Современные передовые методы производства мягких роботов снижают их сложность.

Для выполнения этой задачи используются пневматические схемы, которые используют нелинейные реакции материалов. Использование схем управления потоками позволяет инженерам производить больше устройств в одном месте. Примечательно, что инженеры этого проекта также сыграли ключевую роль в других работах, включая создание 3D-печатного роботизированного захвата и гусеничного робота со встроенными схемами управления.

Проблемы 3D-печати и сборки мягких роботов

Сектор производства мягкой робототехники по-прежнему сталкивается с множеством проблем. Например, системы литья под давлением позволяют создавать детали, но управление этими узлами по-прежнему требует дополнительных компонентов. Кроме того, это дорогостоящий, трудоёмкий процесс, недоступный большинству людей.

Во многих случаях сложная система насосов, клапанов и другой электроники должна быть подключена к телу на отдельной плате с помощью проводов для достижения любой формы контролируемого передвижения. Необходимость привязывать ботинок сводит на нет его преимущества и ограничивает его возможности мягкого робота, такие как навигация в ограниченном пространстве или среде.

Новое исследование представляет полностью напечатанного на 3D-принтере шагающего робота без электроники

Учеба "Монолитное настольное цифровое изготовление автономных шагающих роботов"¹ опубликовано в журнале Advanced Intelligent Systems, рассказывается о том, как инженеры разработали полностью напечатанного на 3D-принтере шестиногого робота без электроники, который может ходить сразу после печати. ​​Еще более впечатляющим является тот факт, что устройство питается исключительно от источника постоянного давления воздуха.

Исследование является революционным по нескольким причинам. Во-первых, оно подробно объясняет, как инженеры смогли преодолеть трудности 3D-печати закрытого клапана. В отчете команда успешно добилась перемещения робота вне принтера, используя симметричные колебания с помощью пневматических фазовых задержек.

Как настольные 3D-принтеры позволяют создавать полнофункциональных мягких роботов

Примечательно, что инженеры использовали готовый коммерчески доступный настольный 3D-принтер для создания мягких компонентов сложной геометрии, требующих минимального участия человека. Инженеры исследуют различные материалы. Они даже заключили партнерское соглашение с корпорацией BASF через её Калифорнийский исследовательский альянс (CARA), чтобы проверить, какие материалы лучше всего подходят для создания каркаса, искусственных мышц и системы управления шестиногого робота.

Источник: Калифорнийский университет в Сан-Диего

Шагающий робот, напечатанный на 3D-принтере, который работает сразу после печати

Шагающий робот, напечатанный командой, способен передвигаться самостоятельно, без каких-либо электронных компонентов. Вместо этого он использует сжатый воздух и сеть клапанов, которые открываются и закрываются в зависимости от изменения давления, чтобы приводить в движение его шесть ног. Примечательно, что творение команды может передвигаться по пересеченной местности без привязи, используя в качестве источника энергии только баллон со сжатым газом.

Ноги робота

Одним из уникальных аспектов готового робота является конструкция его ног. Шесть ног были напечатаны с использованием коммерчески доступной нити для 3D-печати. ​​Каждая из ног интегрирует мягкие, печатаемые, антагонистические пневматические приводы. Эта установка обеспечивает каждому расходу четыре степени движения. Каждая нога может двигаться вверх, вниз, вперед и назад.

Чтобы создать действие ходьбы, ноги должны быть подключены к какой-либо форме сжатого воздуха или жидкости. Под постоянным давлением одна пара ног будет сгибаться вниз, поднимая тело выше и помогая боту преодолевать неровности. В то же время другая пара ног будет слегка подниматься. Оттуда последняя пара ног сгибается вниз и назад, чтобы создать действие толчка вперед. Это заставляет передние ноги затем сгибаться вниз, завершая цикл шага.

Мягкие приводы

Примечательно, что устройство может выполнять эту задачу благодаря интеграции встроенных жидкостных цепей в корпус робота. Печать этих устройств оказалась сложнее, чем вы могли бы себе представить. Инженерам пришлось приложить значительные усилия для определения наилучшего метода печати этих герметичных компонентов, таких как приводы, клапаны и датчики.

Пневматический колебательный контур

В основе этого мягкого робота нового поколения лежит печатная схема жидкостного осциллятора. Эта схема генерирует четыре циклических выходных сигнала давления, которые жизненно важны. Впечатляет то, что инженеры создали ее для выполнения этой задачи, используя только один вход давления.

Они определили, что наилучшим решением будет монолитный 3D-печатный четырехфазный бистабильный колебательный клапан. Их изготовленный на заказ колебательный клапан объединяет шесть состояний в одном рабочем цикле. Для выполнения этой задачи он использует механические движения внутренних мембран и каналов клапана для управления порогами, создавая изменения состояний из-за постепенных изменений давления.

Каждый клапан направляет поток воздуха на следующую стадию процесса, когда достигаются пределы давления. Интересно, что на вопрос о том, как команда пришла к этой концепции, они ответили, что дизайн был вдохновлен ранними паровыми двигателями локомотивов.

Насколько долговечен робот, напечатанный на 3D-принтере? Результаты испытаний раскрыты

Фаза лабораторных испытаний мягкого робота началась с процесса мониторинга на открытом воздухе. На этом этапе робот был поднят и было применено давление воздуха. Затем команда отметила точные действия, которые совершал робот, и то, как они повлияли бы на движение, если бы робот находился на земле. После записи движений ног в воздухе команда смогла скорректировать конструкцию, чтобы создать отчетливый рисунок ходьбы.

Следующим испытанием было проверить, как робот функционирует только на давлении воздуха. Команда протестировала работу робота без электроники, используя 16-граммовый баллон CO2 с механическим регулятором, установленным на 20 фунтов на квадратный дюйм. Они отметили, что могли получить приблизительно 80 секунд работы с этой установкой.

Срок службы

Затем была проверена прочность с помощью жизненных циклов. Команда сосредоточилась на тестировании одного клапана, чтобы получить максимальную детализацию. В рамках теста применялось постоянное давление и регистрировались его эффекты. Они отметили, что колебательный клапан проработал 19,809 XNUMX циклов, прежде чем полностью вышел из строя.

Результаты испытаний роботов, напечатанных на 3D-принтере

Лабораторные испытания показали впечатляющие результаты. Во-первых, робот, созданный командой, мог пересечь широкий спектр ландшафтов. Бот успешно преодолел дерн, песок и различные другие сложные ландшафты, в том числе под водой.

Интересно, что робот прошел 85 см за 21 секунду со скоростью 4 см в секунду во время испытаний на гладкой поверхности. Тестирование показало, что подъемное действие ног в первой последовательности его шага помогло боту получить достаточную подъемную силу для перемещения по неровной местности.

Испытание на прочность показывает, что устройства могут работать без остановки в течение трех дней подряд. Кроме того, команда обнаружила, что основным слабым местом конструкции являются четыре мембраны в качающемся клапане. Это открытие не стало большим сюрпризом, поскольку именно эти компоненты выдерживают наибольшее давление воздуха, повторяющуюся силу и прогиб в системе.

Преимущества 3D-печати мягких роботов без электроники

Исследование роботов, напечатанных на 3D-принтере, дает множество преимуществ. Во-первых, эти устройства можно печатать с помощью обычного настольного 3D-решения. Такой подход означает, что эти устройства легко доступны для обычного человека или компании. Они готовы к работе сразу после выхода из принтера и не требуют человеческого вмешательства или очистки после печати.

Почему 3D-печатные роботы без электроники меняют правила игры

Определенно, одним из самых крутых аспектов проекта является решение об устранении необходимости в электронике. Способность этих ботинок работать без электроники означает, что они являются очевидным решением для сред, недружелюбных к электронике.

Научные исследования в космосе или вокруг мест с высоким уровнем радиации или магнитного поля являются ярким примером того, где эти устройства могут пригодиться. Кроме того, подводные среды всегда были проблемными для традиционной электроники из-за ограничений, связанных с высоким давлением.

Недорогая робототехника: как 3D-печать делает роботов дешевле

Это исследование открывает двери для печати супердешевых роботов. Устройство, которое создала команда инженеров, стоило около 20 долларов. Хотя оно, возможно, сможет только ходить, будущие разработки могут помочь вам выполнять основные задачи, не увеличивая счет за электроэнергию или расходы на изготовление.

Роботы, напечатанные на 3D-принтере: применение в реальном мире и когда их ожидать

Существует несколько применений для роботов без электроники. Эти устройства можно отправлять для проведения важного наблюдения за враждебными или опасными зонами. Преимущество этого подхода в том, что принтер можно сбросить на место, а роботов создать на месте. Такая стратегия позволит упростить транспортировку.

Данные, содержащиеся в исследовании мягких роботов, могут привести к быстрому развертыванию недорогих, устойчивых устройств в средах, где традиционная электроника выходит из строя, например, в зонах с сильной радиацией, зонах стихийных бедствий или даже на других планетах. Учитывая простоту и доступность конструкции, практические приложения могут появиться в течение следующих 3–5 лет.

Познакомьтесь с командой, стоящей за созданием 3D-печатного робота без электроники

Исследование 3D-печатного робота проводилось в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Ведущими авторами являются Ичен Чжай, Цзяяо Янь и Майкл Т. Толли. В статье также указаны Альберт Де Бур, Мартин Фабер, Рохини Гупта и BASF California Research Alliance как внесшие вклад в работу. Кроме того, исследование частично финансировалось Национальным научным фондом.

Примечательно, что эта команда сыграла ключевую роль в разработке мягкой роботизированной технологии. Группа представила роботизированный захват без электроники в 2022 году. Этот опыт помог им создать следующее поколение устройств без электроники. Теперь их цель — найти способы перемещения хранилища сжатого газа внутри и исследовать больше биоразлагаемых материалов.

Ведущие компании, развивающие 3D-печать и мягкую робототехнику

Использование роботов в быту и бизнесе растёт. В связи с этим существует высокий спрос на доминирование на этом рынке. В частности, на рынках робототехники и 3D-печати представлено множество ключевых игроков. Эти компании вложили миллиарды долларов в исследования и разработки для создания функциональных устройств нового поколения. Вот одна из компаний, которая продолжает внедрять инновации и реализовывать проекты.

Корпорация 3D Systems

Корпорация 3D Systems (DDD ) Компания вышла на рынок в 1986 году и базируется в Калифорнии. Первоначальной целью было предложить коммерческим клиентам услуги 3D-печати следующего поколения. Будучи пионером в области 3D-печати, фирма играла ключевую роль в создании прототипов и других критически важных компонентов для аэрокосмической, автомобильной, медицинской, развлекательной и промышленной отраслей.

Сегодня 3D Systems находится на переднем крае развития технологий аддитивного производства, включая приложения в робототехнике. Компания насчитывает +1,925 сотрудников и сообщила о выручке в размере 488 млн долларов в 2023 году. Кроме того, компания подписала стратегическое партнерство с Daimler Buses для поставки местных 3D-принтеров, которые могут создавать запасные части.

Последние новости от 3D Systems Corp.

Роботы, напечатанные на 3D-принтере

Эти достижения представляют собой еще один шаг вперед в эволюции мягкой робототехники. Устраняя необходимость в электронике и обеспечивая полную функциональность прямо с настольного 3D-принтера, это исследование прокладывает путь для доступных, устойчивых и развертываемых машин в средах, где традиционные роботы не справляются. По мере развития потенциальные области применения — от ликвидации последствий стихийных бедствий до исследования космоса — становятся обширными и вдохновляющими. Большое спасибо этим инженерам за их упорный труд и усилия, которые могут изменить ход развития робототехнической отрасли.

Узнайте о других крутых прорывах в области 3D-печати Теперь.

Ссылки на исследования:

^{1. Чжай Ю., Ян Дж., Де Бур А., Фабер М., Гупта Р. и Толли М.Т. (2025). Монолитное настольное цифровое производство автономных шагающих роботов. Передовые интеллектуальные системы. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}