Düşük Maliyetli 3D Baskılı Robotlar Elektroniksiz Çalışıyor

Baskıdan çıktığı anda çalışabilen robot üretmek uzun süredir zor bir hedefti. Kaliforniya Üniversitesi araştırmacıları, elektronik bileşen gerektirmeyen yeni bir üretim yöntemi ve robot tasarımı açıkladı. Bu 3D baskılı robot, yazıcıdan çıkar çıkmaz yürüyebiliyor.

Robotlar nasıl üretiliyor?

Robotların türleri kadar üretim yöntemleri de çeşitlidir. Geleneksel bir robotun gövdesi, elektronik parçaları, pili ve kontrol birimi farklı yerlerde üretilip daha sonra birleştirilebilir. Bu da üretim sürecini uzatır.

Yumuşak robot nedir?

Yumuşak robotlar ise geleneksel robotların sert dış iskeleti yerine silikon gibi esnek malzemeler ve biçim değiştirebilen yapılar kullanır. Bu sayede nesneleri hassas biçimde tutabilir, karmaşık ortamlardan geçebilir ve insanlarla daha güvenli etkileşim kurabilirler.

Akışkan devrelerle yumuşak robotların 3D baskısı

Yumuşak robotlara yönelik ilgi, üretim yöntemlerinin gelişmesini hızlandırdı. 3D baskıdaki ilerlemeler, daha işlevsel parçaların tek bir baskı sürecinde yapılmasına ve montajın sadeleşmesine olanak tanıyor.
Bu amaçla malzemenin basınca verdiği tepkiyi kullanan pnömatik ve akışkan kontrol devreleri tasarlanıyor. Bu çalışmadaki mühendisler daha önce de içinde kontrol devreleri bulunan 3D baskılı bir tutucu ve sürünen robot geliştirmişti.

Yumuşak robot üretimindeki güçlükler

Kalıpla döküm yöntemleri parçaları üretebilse de robotu kontrol etmek için ek bileşenler gerekir. Bu yöntemler pahalı, emek yoğun ve birçok araştırmacı için kolay erişilebilir değildir.
Çoğu tasarımda pompa, valf ve elektronik birimler kablolarla gövdeye bağlanır. Dışarıya bağlı kalmak, yumuşak robotun dar alanlara girebilme gibi avantajlarını sınırlar.

Çalışma: Tamamen 3D baskılı, elektronik içermeyen yürüyen robot

“Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots”¹ başlıklı ve Advanced Intelligent Systems dergisinde yayımlanan çalışma, altı bacaklı bir robotun tamamen 3D baskıyla üretildikten hemen sonra elektronik parça olmadan yürüyebildiğini anlatıyor. Robotun çalışması için sürekli hava basıncı gerekiyor.

Araştırmacılar, kapalı bir valfi 3D yazıcıyla üretme sorununu da ele aldı. Havanın yönlendirdiği, farklı aşamalarda basıncı değiştiren valflerle bacakların düzenli hareketini sağladılar.

Masaüstü 3D yazıcıyla yumuşak robot üretimi

Mühendisler, piyasada bulunan bir masaüstü 3D yazıcıyla karmaşık biçimli esnek parçalar üretti. Altı bacaklı robotun gövdesi, yapay kasları ve kontrol sistemi için uygun malzemeleri seçmek üzere BASF’nin California Research Alliance birimiyle birlikte farklı seçenekleri test ettiler.

Kaynak UC San Diego

Yazıcıdan çıkar çıkmaz yürüyebilen robot

Robot, elektronik parça olmadan yürüyebiliyor. Basınç değişimine göre açılıp kapanan valfler ve sıkıştırılmış hava altı bacağı hareket ettiriyor. Sıkıştırılmış gaz kartuşu kullandığı için dışarıya bağlı kablo veya hortum olmadan engebeli arazide ilerleyebiliyor.

Robotun altı bacağı

Altı bacak, ticari 3D baskı malzemesiyle üretildi. Her bacakta yumuşak pnömatik aktüatörler bulunuyor; bacaklar yukarı, aşağı, ileri ve geri hareket edebiliyor.
Yürümek için bacaklara basınçlı hava veya akışkan gerekiyor. Sürekli basınç altında bazı bacaklar bükülerek gövdeyi kaldırırken diğerleri konum değiştiriyor; son grup arkaya doğru itiyor. Hareketin tekrarı robotun adım atmasını sağlıyor.

Yumuşak aktüatörler

Gövdenin içine basılmış akışkan devreler bu hareketi yönetiyor. Hava kaçırmayan aktüatör, valf ve sensörlerin basılması kolay olmadığından ekip, uygun üretim yöntemini bulmak için ayrıca çalıştı.

Pnömatik salınım devresi

Kontrol sisteminin merkezinde baskıyla üretilebilen bir akışkan osilatör devresi var. Devre, yalnızca tek bir basınç girişiyle döngüsel dört basınç çıkışı üretiyor.

Ekip, dört fazlı ve iki kararlı durumu bulunan bütünleşik bir valfin en uygun çözüm olduğuna karar verdi. Bu valf bir çalışma döngüsünde altı durumdan geçiyor. Basınç yavaşça değiştikçe iç zarlar ve kanallar hareket ediyor, valfin durumu da değişiyor.

Basınç belirlenen sınıra ulaştığında her valf havayı bir sonraki aşamaya yönlendiriyor. Araştırmacılara göre tasarımın esin kaynağı ilk buharlı lokomotiflerdi.

3D baskılı robot ne kadar dayanıklı?

Laboratuvar testlerinde robot önce yerden kaldırılarak bacaklarına hava basıncı uygulandı. Ekip, bacakların hareketini kaydetti ve bu hareketlerin zeminde yürümeyi nasıl etkileyeceğini değerlendirdi. Sonuçlara göre adım düzenini ayarladı.
Ardından yalnızca hava basıncıyla çalışma süresi ölçüldü. 20 psi’ye ayarlanmış mekanik regülatör ve 16 gramlık CO₂ kartuşuyla robot yaklaşık 80 saniye çalıştı.

Ömür testi

Dayanıklılığı incelemek için tek bir valfe sürekli basınç uygulanarak çalışma döngüleri sayıldı. Salınım valfi tamamen bozulmadan önce 19.809 döngü boyunca işlev gördü.

3D baskılı robotun test sonuçları

Robot laboratuvar testlerinde çim, kum ve su altı da dahil olmak üzere farklı ortamlarda ilerleyebildi.

Düz zeminde 21 saniyede 85 santimetre yol aldı; bu, saniyede yaklaşık 4 santimetreye karşılık geliyor. Adımın ilk aşamasında bacakların gövdeyi kaldırması, engebeli arazide hareket etmesine yardımcı oldu.

Dayanıklılık testleri tasarımın yaklaşık üç gün kesintisiz çalışabildiğini gösterdi. Ekibe göre en zayıf bölüm salınım valfindeki dört zar: sistemde en fazla hava basıncına ve tekrarlanan bükülmeye bunlar maruz kalıyor.

Elektronik içermeyen 3D baskılı yumuşak robotların avantajları

Robot sıradan bir masaüstü 3D yazıcıyla üretilebiliyor. Baskıdan sonra çalışması için elektronik parçaların eklenmesine veya kapsamlı bir temizliğe gerek kalmıyor. Bu durum küçük araştırma ekiplerinin ve işletmelerin tasarımı denemesini kolaylaştırabilir.

Elektronik olmadan çalışmak neden önemli?

Elektronik bileşenlerin çıkarılması, robotu normal elektronik cihazların zarar görebileceği ortamlarda yararlı kılabilir.
Yüksek radyasyon, güçlü manyetik alanlar ve bazı su altı görevleri olası örneklerdir. Ancak her kullanım için ayrı testler gerekir.

Düşük maliyetli üretim

Ekibin bildirdiğine göre bu robotun malzeme maliyeti yaklaşık 20 dolardı. Mevcut prototip yürümeyi gösteriyor; ilerideki tasarımların başka görevleri düşük maliyetle yapıp yapamayacağı araştırılmalı.

Olası kullanım alanları

Elektronik içermeyen robotlar tehlikeli alanları incelemek için kullanılabilir. 3D yazıcıyı görev yerine götürüp robotları orada üretmek, taşıma ihtiyacını azaltabilecek bir seçenek.
Radyasyonlu bölgeler, afet alanları ve başka gezegenler, geleneksel elektroniklerin zorlanabileceği potansiyel ortamlardır. Bu fikirlerin ne zaman uygulanabileceği ise daha fazla deneye bağlı.

Elektronik içermeyen robotun araştırma ekibi

Çalışma Kaliforniya Üniversitesi San Diego kampüsünde yapıldı. Başlıca yazarlar Yichen Zhai, Jiayao Yan ve Michael T. Tolley. Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta ve BASF California Research Alliance da araştırmaya katkıda bulundu. Çalışma, National Science Foundation tarafından kısmen finanse edildi.
Ekip 2022’de elektronik içermeyen bir robotik tutucu geliştirmişti. Şimdi sıkıştırılmış gaz deposunu robotun içine yerleştirmeyi ve daha fazla biyobozunur malzeme kullanmayı araştırıyor.

3D baskı ve yumuşak robotik alanındaki şirketler

Evlerde ve işletmelerde robot kullanımı artarken 3D baskı ile robotik alanında çalışan şirketler de ilgi görüyor. Bu alandaki firmalardan biri 3D Systems.

3D Systems Corporation

Kaliforniya merkezli 3D Systems Corporation (DDD ) 1986’da kuruldu. Şirket ticari müşteriler için 3D baskı hizmetleri geliştirerek havacılık, otomotiv, sağlık ve sanayi alanlarında prototip üretiminde rol oynadı.

Şirket, robotik uygulamalar da dahil olmak üzere eklemeli imalat teknolojileri üzerinde çalışıyor. 2023’te yaklaşık 488 milyon dolar gelir bildirdi ve o dönemde 1.925’ten fazla çalışanı vardı. Ayrıca Daimler Buses ile otobüs yedek parçalarının yerel olarak 3D baskıyla üretilmesine yönelik bir ortaklık kurdu.

3D Systems Corp. hakkında son haberler

Elektronik içermeyen 3D baskılı robotların geleceği

Masaüstü yazıcıdan çıktığı anda çalışabilen bir robot üretmek, yumuşak robotik alanında bir ilerleme. Elektronik parçaların kaldırılması, geleneksel robotların zorlandığı ortamlarda kullanılabilecek düşük maliyetli makineler üzerine araştırmayı kolaylaştırabilir. Afet yardımı ve uzay keşfi gibi kullanım alanları hâlâ birer olasılık; gerçek uygulamalar için geliştirme ve testler sürmeli.

3D baskıdaki diğer gelişmeler hakkında buradan bilgi edinin.

Kaynak çalışma:

^{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}