Billiga 3D-tryckta robotar fungerar utan elektronik

I robottillverkningens värld är drömmen om att tillverka maskiner redo att gå direkt från linjen fortfarande många år bort, eller åtminstone var den det. Ett team av forskare vid University of California chockade nyligen marknaden efter att ha släppt detaljer om en ny tillverkningsmetod och robotdesign som inte kräver någon elektricitet och är redo att gå direkt från skrivaren. Här är vad du behöver veta om 3D tryckt robotar.

Hur tillverkas robotar? Utforska moderna robottillverkningstekniker

Det finns många olika typer av robotar och ännu fler sätt att skapa dessa enheter. Traditionella robotar kan byggas på löpande band och kan kräva många steg för att montera och komma igång. Till exempel kan du låta en tillverkare tillverka kroppen, medan andra tillverkar elektroniska komponenter, batterier, kontroller och andra kärnkomponenter.

Vad är mjuka robotar? Fördelar och användning i verkliga världen

Mjuka robotar är en annan typ av maskin som gör bort det stela exoskelettet som finns i traditionella robotar. Istället använder mjuka robotar alternativa material som silikoner och design som gör att de kan ändra sin form. De främsta fördelarna med mjuka robotar är att de stöder manipulation, kan korsa komplexa miljöer och ger säker interaktion med människor.

Framsteg inom 3D-utskrift av mjuka robotar med vätskekretsar

Efterfrågan på mjuka robotar har lett till flera uppgraderingar av tillverkningsprocesser. Nya genombrott inom 3D-utskrift har gjort det möjligt för ingenjörer att designa mjuka robotar som är mer kapabla i en enda körning. Dagens mest avancerade tillverkningsmetoder för mjuka robotar minskar komplexiteten hos mjuka robotar.

För att utföra denna uppgift används pneumatiska kretsar som utnyttjar icke-linjära materialsvar. Användningen av fluidstyrkretsar gör det möjligt för ingenjörer att tillverka fler enheter på en enda plats. Speciellt var ingenjörerna i detta projekt också centrala i andra arbeten, inklusive att skapa en 3D-printad robotgripare och crawler med inbyggda styrkretsar.

Utmaningar inom 3D-utskrift och montering av mjuka robotar

Det finns fortfarande många problem inom tillverkningssektorn för mjuka robotar. För det första möjliggör gjutna system skapande av delar, men styrning av enheterna kräver fortfarande ytterligare komponenter. Dessutom är det dyrt, arbetsintensivt och inte lättillgängligt för de flesta.

I många fall måste ett komplext system av pumpar, ventiler och annan elektronik anslutas till kroppen på ett separat kort via ledningar för att uppnå någon form av kontrollerad rörelse. Behovet av att ha stöveln tjudrad eliminerar dess fördelar och begränsar dess mjuka robotkapacitet, som att navigera i trånga utrymmen eller miljöer.

Ny studie avslöjar helt 3D-utskriven, elektronikfri gårobot

Studien "Monolithic Desktop Digital tillverkning av autonoma gårobotar, "¹ publicerad i tidskriften Advanced Intelligent Systems, belyser hur ingenjörer utvecklade en helt 3D-utskriven, elektronikfri, sexbensrobot som kan gå direkt efter utskrift. Ännu mer imponerande är det faktum att enheten enbart drivs av en konstant lufttryckskälla.

Studien är revolutionerande av flera anledningar. För det första förklarar den i detalj hur ingenjörerna kan övervinna utmaningarna med 3D-utskrift av en stängd ventil. I rapporten uppnår teamet framgångsrikt robotrörelse utanför skrivaren genom att använda symmetrisk oscillation via luftdrivna fasfördröjningsventiler.

Hur stationära 3D-skrivare möjliggör fullt funktionella mjuka robotar

Det är värt att notera att ingenjörerna använde en standardiserad, kommersiellt tillgänglig 3D-skrivare för att skapa mjuka komponenter med komplexa geometrier som kräver minimal mänsklig arbetskraft. Ingenjörerna forskar på flera olika material. De gick till och med så långt som att samarbeta med BASF-företaget via deras California Research Alliance (CARA) för att testa vilka material som fungerade bäst för att skapa ramen, artificiella muskler och ett styrsystem för teamets sexbenta robot.

Källa UC San Diego

En 3D-utskriven gårobot som fungerar direkt från skrivaren

Den gångrobot som teamet tryckte kan gå på egen hand utan några elektroniska komponenter. Istället förlitar den sig på tryckluft och ett nätverk av ventiler som öppnas och stängs baserat på tryckförändringar för att röra sina sex ben. Det är värt att notera att teamets skapelse kan ta sig fram i ojämn terräng, obunden, med endast en tryckgaspatron som kraftkälla.

Robotben

En av de unika aspekterna av den färdiga roboten är dess bendesign. De sex benen trycktes med kommersiellt tillgänglig 3D-utskriftsfilament. Vart och ett av benen integrerar mjuka, tryckbara, antagonistiska pneumatiska ställdon. Denna inställning ger varje utgift fyra grader av rörelse. Varje ben kan röra sig upp, ner, framåt och bakåt.

För att skapa en gångrörelse måste benen kopplas till någon form av tryckluft eller vätska. Under konstant tryck kommer en uppsättning ben att böja sig ner, lyfta kroppen högre och hjälpa boten att röja ojämn terräng. Samtidigt kommer en annan uppsättning ben att höjas något. Därifrån böjer den sista uppsättningen ben nedåt och bakåt för att skapa en framåtskjutande handling. Detta gör att de främre benen sedan böjer sig nedåt och slutför en stegcykel.

Mjuka ställdon

Speciellt kan enheten utföra denna uppgift tack vare integrationen av inbäddade fluidiska kretsar i robotens kropp. Att skriva ut dessa enheter var svårare än du kan föreställa dig. Ingenjörerna var tvungna att lägga stor ansträngning på att bestämma den bästa metoden för att skriva ut dessa lufttäta komponenter som ställdon, ventiler och sensorer.

Pneumatisk oscillerande krets

Kärnan i denna nästa generations mjuka robotdesign är en utskrivbar fluidisk oscillatorkrets. Denna krets genererar fyra cykliska utgående trycksignaler, som är avgörande. Imponerande nog skapade ingenjörerna den för att utföra denna uppgift med bara en enda tryckingång.

De fastställde att en monolitisk 3D-utskrivbar fyrfas bistabil oscillerande ventil var den bästa lösningen. Deras specialbyggda oscillerande ventil integrerar sex tillstånd i en arbetscykel. För att utföra denna uppgift använder den de mekaniska rörelserna hos de inre membranen och ventilkanalerna för att manipulera trösklar, vilket skapar tillståndsförändringar på grund av gradvisa tryckförändringar.

Varje ventil styr luftflödet till nästa steg i processen när tryckgränserna nås. Intressant nog, när de tillfrågades om hur teamet kom fram till detta koncept, svarade de att designen var inspirerad av tidiga lokomotiv ångmaskiner.

Hur hållbar är en 3D-skriven robot? Testresultat avslöjade

Labbtestfasen av den mjuka roboten började med en övervakningsprocess utomhus. I detta steg lyftes roboten och lufttryck applicerades. Teamet noterade sedan de exakta åtgärderna som roboten gjorde och hur de skulle påverka rörelsen om roboten var på marken. Efter att ha registrerat benens rörelser i luften kunde teamet justera designen för att skapa ett distinkt gångmönster.

Nästa test var att se hur roboten fungerade på enbart lufttryck. Teamet testade den elektronikfria driften av roboten med en 16-g CO2-patron med en mekanisk regulator inställd på 20 psi. De noterade att de kunde få ungefär 80 sekunders drift från denna installation.

Livstidstest

Därefter testades hållbarheten via livscykler. Teamet fokuserade på att testa en enda ventil för att få så mycket detaljer som möjligt. Som en del av testet applicerades konstant tryck och dess effekter registrerades. De noterade att den oscillerande ventilen fungerade i 19,809 XNUMX cykler innan den helt misslyckades.

3D-utskrivna robottestresultat

Labbtestet visade några imponerande resultat. För det första kunde roboten som skapats av teamet korsa ett brett spektrum av terräng. Boten korsade framgångsrikt gräs, sand och olika andra svåra terränger, inklusive under vattnet.

Intressant nog gick roboten 85 cm på 21 sekunder med 4 cm i sekunden under sina släta ytförsök. Testerna visade att benens lyftverkan var i den första sekvensen av dess steg hjälpte boten att få tillräckligt med lyft för att resa genom tuffa miljöer.

Hållbarhetstestet visar att enheterna kan fungera nonstop i tre dagar i sträck. Dessutom upptäckte teamet att den främsta svaga punkten i designen är de fyra membranen i den oscillerande ventilen. Denna upptäckt var inte en stor överraskning eftersom det här är de komponenter som tål mest lufttryck, upprepad kraft och avböjning i systemet.

Fördelar med mjuka robotar för 3D-utskrift utan elektronik

Det finns flera fördelar med 3D-utskrivna robotstudien. För det första kan dessa enheter skrivas ut med en vanlig stationär 3D-lösning. Detta tillvägagångssätt innebär att dessa enheter är lättillgängliga för den genomsnittliga personen eller företaget. De är klara från skrivaren och kräver ingen mänsklig interaktion eller städning efter utskrift för att fungera.

Varför 3D-tryckta robotar utan elektronik är en spelomvandlare

En av de häftigaste aspekterna av projektet är definitivt beslutet att eliminera behovet av elektronik. Möjligheten för dessa stövlar att fungera utan elektronik gör att de är den självklara lösningen för miljöer som inte är elektronikvänliga.

Vetenskapliga studier i rymden, eller runt hög strålning eller magnetiska platser, är ett utmärkt exempel på var dessa enheter skulle komma till användning. Dessutom har undervattensmiljöer alltid varit besvärliga för traditionell elektronik på grund av högt tryck.

Lågkostnadsrobotik: Hur 3D-utskrift gör robotar billigare

Denna studie öppnar dörren för utskrift av superlåga robotar. Enheten som teamingenjörerna skapade kostade cirka $20. Även om detta kanske bara kan gå, kan framtida design hjälpa dig att utföra kärnuppgifter utan att öka din elräkning eller tillverkningskostnader.

3D-tryckta robotar: användningsområden i verkliga världen och när du kan förvänta dig dem

Det finns flera applikationer för elektronikfria robotar. Dessa enheter kan skickas in för att utföra viktig övervakning av fientliga eller farliga områden. Fördelen med detta tillvägagångssätt är att en skrivare kan släppas på plats och robotar skapas på plats. Denna strategi skulle möjliggöra enklare transporter.

Uppgifterna i studien av mjuka robotar kan leda till snabb utplacering av billiga, fjädrande enheter i miljöer där traditionell elektronik misslyckas, som områden med stark strålning, katastrofområden eller till och med andra planeter. Med tanke på designens enkelhet och överkomliga pris kan praktiska tillämpningar dyka upp inom de närmaste 3 till 5 åren.

Möt teamet bakom den elektronikfria 3D-skrivna roboten

Den 3D-printade robotstudien var värd vid University of California, San Diego. Huvudförfattarna inkluderar Yichen Zhai, Jiayao Yan och Michael T. Tolley. Tidningen listar också Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta och BASF California Research Alliance som bidragit till arbetet. Dessutom finansierades studien delvis av National Science Foundation.

Speciellt har detta team varit avgörande i utvecklingen av mjuk robotteknologi. Gruppen introducerade en elektronikfri robotgripare 2022. Denna erfarenhet hjälpte dem att skapa nästa generation av elektronikfria enheter. Nu är deras mål att hitta sätt att flytta komprimerad gas lagring internt och forskning mer biologiskt nedbrytbara material.

Toppföretag som utvecklar 3D-utskrift och mjuk robotik

Användningen av robotar i hem och företag ökar. Därför finns det en stark efterfrågan på att dominera denna marknad. Det är värt att notera att robotik- och 3D-utskriftsmarknaderna har många viktiga aktörer. Dessa företag har investerat miljarder i forskning och utveckling för att skapa fungerande nästa generations enheter. Här är ett företag som fortsätter att förnya sig och leverera.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD ) kom in på marknaden 1986 och är baserat i Kalifornien. Dess ursprungliga mål var att erbjuda nästa generations 3D-utskriftstjänster till kommersiella kunder. Som en pionjär inom 3D-utskrift var företaget avgörande för prototyper och andra kritiska komponenter för flyg-, bil-, hälso-, underhållnings- och industrimarknaderna.

Idag ligger 3D Systems i framkant när det gäller att utveckla additiv tillverkningsteknik, inklusive tillämpningar inom robotik. Företaget har +1,925 488 anställda och rapporterade 2023 miljoner USD i intäkter 3. Dessutom ingick företaget ett strategiskt partnerskap med Daimler Buses för att tillhandahålla lokala XNUMXD-skrivare som kan skapa reservdelar.

Senaste om 3D Systems Corp.

3D-tryckta robotar

Dessa framsteg representerar ytterligare ett steg framåt i utvecklingen av mjuk robotik. Genom att eliminera behovet av elektronik och möjliggöra full funktionalitet direkt från en stationär 3D-skrivare, banar denna forskning väg för prisvärda, motståndskraftiga och utplacerbara maskiner i miljöer där traditionella robotar kommer till korta. Allt eftersom utvecklingen fortsätter är de potentiella tillämpningarna – från katastrofhjälp till rymdutforskning – enorma och inspirerande. En stark hälsning till dessa ingenjörer för deras hårda arbete och ansträngningar som kan förändra utvecklingen av robotindustrins utveckling.

Lär dig om andra coola 3D-utskriftsgenombrott Nu.

Refererade studier:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, MT (2025). Monolitisk desktop digital tillverkning av autonoma gående robotar. Avancerade intelligenta system. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}