Billiga 3D-utskrivna robotar fungerar utan elektronik

In robotfabriksvärlden är drömmen om att tillverka maskiner som är klara att gå direkt från produktionslinjen fortfarande många år bort, eller åtminstone var den det. Ett team av forskare vid University of California chockerade nyligen marknaden efter att ha offentliggjort detaljer om en ny tillverkningsmetod och robotdesign som inte kräver elektricitet och är klar att gå direkt från skrivaren. Här är vad du behöver veta om 3D-utskrivna robotar.

Hur tillverkas robotar? Utforska moderna robotfabriksmetoder

Det finns en mängd olika typer av robotar och ännu fler sätt att skapa dessa enheter. Traditionella robotar kan byggas på monteringslinjer och kan kräva många steg för att monteras och sättas i drift. Till exempel kan en tillverkare producera kroppen, medan andra producerar elektroniska komponenter, batterier, kontroller och andra kärnkomponenter.

Vad är mjuka robotar? Fördelar och verkliga tillämpningar

Mjuka robotar är en annan typ av maskin som gör sig av med den stela exoskelett som finns i traditionella robotar. Istället använder mjuka robotar alternativa material som silikon och konstruktioner som gör att de kan förändra sin form. De främsta fördelarna med mjuka robotar är att de underlättar manipulation, kan ta sig igenom komplexa miljöer och ger säker interaktion med människor.

Framsteg inom 3D-utskrift av mjuka robotar med fluidiska kretsar

Efterfrågan på mjuka robotar har lett till flera förbättringar av tillverkningsprocessen. Nyliga genombrott inom 3D-utskrift har gjort det möjligt för ingenjörer att designa mjuka robotar som är mer kapabla i ett enda körning. Dagens mest avancerade metoder för tillverkning av mjuka robotar minskar komplexiteten hos mjuka robotar.

För att uppnå detta används pneumatiska kretsar som utnyttjar icke‑linjära materialrespons. Användningen av fluidiska styrkretsar gör det möjligt för ingenjörer att tillverka fler enheter på en enda plats. Noterbart är att ingenjörerna i detta projekt också var nyckelpersoner i andra verk, inklusive skapandet av en 3D-utskriven robotgrip och en krypande robot med inbäddade styrkretsar.

Utmaningar vid 3D-utskrift och montering av mjuka robotar

Det finns fortfarande många problem som påverkar tillverkningssektorn för mjuka robotar. Till exempel tillåter gjutningssystem att skapa delar, men att kontrollera 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 kablar för att uppnå någon form av kontrollerad förflyttning. Kravet på att ha roboten ansluten eliminerar dess fördelar och begränsar dess mjuka robotförmågor, såsom att navigera i trånga utrymmen eller miljöer.

Ny studie avslöjar helt 3D-utskriven, elektronikfri gående robot

Studien “Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots,”¹ publicerad i tidskriften Advanced Intelligent Systems, belyser hur ingenjörer utvecklade en helt 3D-utskriven, elektronikfri, sexbent robot som kan gå omedelbart efter utskrift. Ännu mer imponerande är att enheten drivs enbart av en konstant lufttryckskälla.

Studien är revolutionerande av flera anledningar. För det första förklarar den i detalj hur ingenjörerna kan övervinna utmaningarna med att 3D-utskrifta en sluten ventil. I rapporten lyckas teamet uppnå robotens förflyttning direkt från skrivaren genom att använda symmetrisk oscillation via luftdrivna fasfördröjningsventiler.

Hur skrivbordstryckare möjliggör fullt funktionella mjuka robotar

Noterbart använde ingenjörerna en färdig, kommersiellt tillgänglig 3D-skrivbordstryckare för att skapa mjuka komponenter med komplexa geometrier som kräver minimal mänsklig arbetsinsats. Ingenjörerna undersökte flera material. De gick till och med så långt att de samarbetade med BASF-koncernen via dess 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 gående robot som fungerar direkt från skrivaren

Den gående robot som teamet skrev ut kan gå på egen hand utan några elektroniska komponenter. Istället förlitar den sig på komprimerad luft och ett nätverk av ventiler som öppnas och stängs baserat på tryckförändringar för att röra sina sex ben. Noterbart kan teamets skapelse ta sig över ojämn terräng, utan sladd, med endast en komprimerad gaspatron som strömkälla.

Robotben

En av de unika aspekterna av den färdiga roboten är dess bendesign. De sex benen trycktes med kommersiellt tillgängligt 3D-utskriftsfilament. Varje ben integrerar mjuka, utskrivbara, antagoniska pneumatiska aktuatorer. Denna uppsättning ger varje ben fyra rörelsgrader. Varje ben kan röra sig upp, ner, framåt och bakåt.

För att skapa en gående rörelse måste benen kopplas till någon form av trycksatt luft eller vätska. Under konstant tryck böjer ett set av ben sig nedåt, lyfter kroppen högre och hjälper roboten att klara av ojämn terräng. Samtidigt höjs ett annat set av ben något. Därefter böjer det sista benet sig nedåt och bakåt för att skapa en framåtdrivande rörelse. Detta får de främre benen att böja sig nedåt och fullfölja ett stegslinga.

Mjuka aktuatorer

Noterbart kan enheten utföra denna uppgift tack vare integrationen av inbäddade fluidiska kretsar i robotens kropp. Att skriva ut dessa enheter var svårare än man kan föreställa sig. Ingenjörerna fick lägga ner betydande ansträngning för att bestämma den bästa metoden att skriva ut dessa lufttäta komponenter såsom aktuatorer, ventiler och sensorer.

Pneumatisk oscillerande krets

Kärnan i denna nästa generations mjuka robotdesign är en utskrivbar fluidisk oscillatorkrets. Denna krets genererar fyra cykliska utgångstryckssignaler, vilka är avgörande. Imponerande nog skapade ingenjörerna den för att utföra uppgiften med endast en enda tryckindata.

De fastställde att en monolitisk 3D-utskrivbar fyrfasig bistabil oscillatorventil var den bästa lösningen. Deras specialbyggda oscillatorventil integrerar sex tillstånd i en arbetscykel. För att utföra detta utnyttjar 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 frågades hur teamet kom på detta koncept svarade de att designen var inspirerad av tidiga lokomotivånga motorer.

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

Labbetestfasen för den mjuka roboten började med en öppenvädersövervakningsprocess. I detta steg lyftes roboten och lufttryck applicerades. Teamet noterade sedan exakt vilka handlingar roboten utförde 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 med endast 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 uppsättning.

Livslängdstest

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

Testresultat för 3D-utskrivna robotar

Labbetestet avslöjade några imponerande resultat. För det första kunde roboten som teamet skapade ta sig över ett brett spektrum av terräng. Robotens klarade av att korsa gräs, sand och olika andra svåra terränger, inklusive under vatten.

Intressant nog gick roboten 85 cm på 21 sekunder med 4 cm per sekund under sina tester på släta ytor. Testet avslöjade att lyftaktionen hos benen i den första sekvensen av steget hjälpte roboten att få tillräckligt lyft för att färdas genom ojämna miljöer.

Hållbarhetstestet visar att enheterna kan fungera oavbrutet i tre dagar i rad. Dessutom upptäckte teamet att den största svaga punkten i designen är de fyra membranen i den oscillerande ventilen. Denna upptäckt var inte en stor överraskning eftersom dessa är de komponenter som utsätts för mest lufttryck, upprepat kraft och deformation inom systemet.

Fördelar med 3D-utskrift av mjuka robotar utan elektronik

Studien om 3D-utskrivna robotar ger flera fördelar. För det första kan dessa enheter skrivas ut med en vanlig skrivbordslösning för 3D-utskrift. Detta innebär att dessa enheter är lättillgängliga för den genomsnittliga personen eller företaget. De är klara direkt från skrivaren och kräver ingen mänsklig interaktion eller efterutskriftstädning för att vara operativa.

Varför 3D-utskrivna robotar utan elektronik är ett spelväxlare

Definitivt en av de häftigaste aspekterna av projektet är beslutet att eliminera behovet av elektronik. Förmågan för dessa robotar att fungera utan elektronik betyder att de är den uppenbara lösningen för miljöer som inte är elektronikvänliga.

Vetenskapliga studier i rymden, eller i områden med hög strålning eller magnetiska fält, är ett tydligt exempel på var dessa enheter skulle vara användbara. Dessutom har undervattensmiljöer alltid varit problematiska för traditionell elektronik på grund av högtrycksbegränsningar.

Lågt kostnadsrobotik: Hur 3D-utskrift gör robotar billigare

Denna studie öppnar dörren för utskrift av superlågt kostnadsrobotar. Enheten som teamets ingenjörer skapade kostade omkring $20. Även om den bara kan gå, kan framtida designer hjälpa dig att utföra kärnuppgifter utan att öka din elräkning eller tillverkningskostnader.

3D-utskrivna robotar: Verkliga tillämpningar och när de kan förväntas

Det finns flera tillämpningar för elektronikfria robotar. Dessa enheter kan skickas 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 möjliggör enklare transport.

Data från studien om mjuka robotar kan leda till snabb utrullning av lågt kostnads, robusta enheter i miljöer där traditionell elektronik misslyckas, såsom områden med stark strålning, katastrofzoner eller till och med andra planeter. Givet enkelheten och prisvärdheten i designen, kan praktiska tillämpningar uppstå inom de kommande 3 till 5 åren.

Möt teamet bakom den elektronikfria 3D-utskrivna roboten

Studien om den 3D-utskrivna roboten hölls vid University of California, San Diego. Huvudförfattarna inkluderar Yichen Zhai, Jiayao Yan och Michael T. Tolley. Artikeln listar också Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta och BASF California Research Alliance som bidragande till arbetet. Dessutom finansierades studien delvis av National Science Foundation.

Noterbart har detta team varit nyckel i utvecklingen av mjuk robotteknik. Gruppen introducerade en elektronikfri robotgrip 2022. Denna erfarenhet hjälpte dem att skapa nästa generation av elektronikfria enheter. Nu är deras mål att hitta sätt att flytta den komprimerade gaslagringen internt och forska mer på biologiskt nedbrytbara material.

Toppföretag som driver fram 3D-utskrift och mjuk robotik

Användningen av robotar i hemmet och i affärslivet ökar. Därför finns en stark efterfrågan på att dominera denna marknad. Noterbart har robotik- och 3D-utskriftsmarknaderna många nyckelspelare. Dessa företag har investerat miljarder i FoU för att skapa fungerande nästa generations enheter. Här är ett företag som fortsätter att innovera och leverera.

3D Systems Corporation

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

Idag är 3D Systems i framkant när det gäller att driva fram additiv tillverkningsteknik, inklusive tillämpningar inom robotik. Företaget har +1 925 anställda och rapporterade $488 M i intäkter 2023. Dessutom tecknade företaget ett strategiskt partnerskap med Daimler Buses för att tillhandahålla lokala 3D-skrivare som kan skapa reservdelar.

Senaste om 3D Systems Corp.

3D-utskrivna robotar

Dessa framsteg representerar ett ytterligare steg framåt i utvecklingen av mjuk robotik. Genom att eliminera behovet av elektronik och möjliggöra full funktionalitet direkt från en skrivbordstryckare banar denna forskning vägen för prisvärda, robusta och utsättningsbara maskiner i miljöer där traditionella robotar misslyckas. När utvecklingen fortsätter är de potentiella tillämpningarna — från katastrofhjälp till rymdutforskning — omfattande och inspirerande. Ett stort tack till dessa ingenjörer för deras hårda arbete och insatser som kan förändra robotikindustrins framtid.

Lär dig mer om andra coola 3D-utskriftgenombrott nu Now.

Studier som refereras:

^{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}