Goedkope 3D-geprinte robots werken zonder elektronica

In de wereld van robotfabricage is de droom van het produceren van machines die direct van de band kunnen rollen nog vele jaren weg, of dat was het in ieder geval. Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Californië verraste onlangs de markt door details te publiceren over een nieuwe fabricagemethode en robotontwerp dat geen elektriciteit nodig heeft en direct van de printer kan worden gehaald. Dit is wat u moet weten over 3D afgedrukt robots.

Hoe worden robots gemaakt? Moderne robotfabricagetechnieken verkennen

Er zijn veel verschillende soorten robots en nog meer manieren om deze apparaten te maken. Traditionele robots kunnen op assemblagelijnen worden gebouwd en vereisen mogelijk veel stappen om ze te assembleren en op gang te brengen. U kunt bijvoorbeeld één fabrikant de body laten produceren, terwijl anderen elektronische componenten, batterijen, controllers en andere kerncomponenten produceren.

Wat zijn zachte robots? Voordelen en toepassingen in de echte wereld

Zachte robots zijn een ander type machine dat afrekent met het rigide exoskelet dat in traditionele robots wordt aangetroffen. In plaats daarvan gebruiken zachte robots alternatieve materialen zoals siliconen en ontwerpen waarmee ze hun vorm kunnen veranderen. De belangrijkste voordelen van zachte robots zijn dat ze manipulatie ondersteunen, complexe omgevingen kunnen doorkruisen en veilige interactie met mensen bieden.

Vooruitgang in 3D-printen van zachte robots met vloeistofcircuits

De vraag naar zachte robots heeft geleid tot verschillende upgrades van het productieproces. Recente doorbraken in 3D-printen hebben ingenieurs in staat gesteld om zachte robots te ontwerpen die in één run beter presteren. De meest geavanceerde fabricagemethoden voor zachte robots van vandaag de dag verminderen de complexiteit van zachte robots.

Om deze taak te volbrengen, worden pneumatische circuits gebruikt die niet-lineaire materiaalreacties benutten. Het gebruik van vloeistofregelcircuits stelt ingenieurs in staat om meer apparaten op één locatie te produceren. Opvallend is dat de ingenieurs van dit project ook een cruciale rol speelden in andere werken, waaronder het creëren van een 3D-geprinte robotgrijper en crawler met ingebedde regelcircuits.

Uitdagingen bij 3D-printen en het assembleren van zachte robots

Er zijn nog steeds veel problemen voor de soft robotics manufacturing sector. Ten eerste, cast molding systemen maken het mogelijk om onderdelen te creëren, maar het besturen van de units vereist nog steeds extra componenten. Bovendien is het duur, arbeidsintensief en niet direct beschikbaar voor de meeste mensen.

In veel gevallen moet een complex systeem van pompen, kleppen en andere elektronica via draden op een apart bord met het lichaam worden verbonden om enige vorm van gecontroleerde voortbeweging te bereiken. De noodzaak om de laars vast te maken, elimineert de voordelen ervan en beperkt de mogelijkheden van de zachte robot, zoals het navigeren door krappe ruimtes of omgevingen.

Nieuwe studie onthult volledig 3D-geprinte, elektronicavrije lopende robot

De studie "Monolithische desktop digitale fabricage van autonome lopende robots'¹ gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Intelligent Systems, benadrukt hoe ingenieurs een volledig 3D-geprinte, elektronicavrije, zesbenige robot ontwikkelden die direct na het printen kan lopen. Nog indrukwekkender is het feit dat het apparaat uitsluitend wordt aangestuurd door een constante luchtdrukbron.

De studie is om meerdere redenen revolutionair. Ten eerste legt het gedetailleerd uit hoe de ingenieurs de uitdagingen van het 3D-printen van een gesloten klep kunnen overwinnen. In het rapport bereikt het team met succes off-the-printer robotlocomotie met behulp van symmetrische oscillatie via luchtaangedreven fasevertragingskleppen.

Hoe desktop 3D-printers volledig functionele zachte robots mogelijk maken

Opvallend is dat de ingenieurs een kant-en-klare, commercieel verkrijgbare 3D-desktopprinter gebruikten om zachte componenten te maken met complexe geometrieën die minimale menselijke arbeid vereisen. De ingenieurs onderzochten verschillende materialen. Ze gingen zelfs zo ver om samen te werken met BASF Corporation via haar California Research Alliance (CARA) om te testen welke materialen het beste werkten om het frame, kunstmatige spieren en een controlesysteem van de zesbenige robot van het team te maken.

Bron UC San Diego

Een 3D-geprinte lopende robot die direct uit de printer komt

De looprobot die het team heeft geprint, kan zelfstandig lopen zonder elektronische componenten. In plaats daarvan vertrouwt hij op perslucht en een netwerk van kleppen die openen en sluiten op basis van drukveranderingen om zijn zes poten te bewegen. Opvallend is dat de creatie van het team ruig terrein kan doorkruisen, los van de kabel, en alleen een samengeperst gaspatroon als energiebron gebruikt.

Robotbenen

Een van de unieke aspecten van de kant-en-klare robot is het ontwerp van de poten. De zes poten werden geprint met behulp van commercieel verkrijgbaar 3D-printfilament. Elk van de poten integreert zachte, printbare, antagonistische pneumatische actuatoren. Deze opstelling biedt elke uitgave vier bewegingsgraden. Elke poot kan omhoog, omlaag, vooruit en achteruit bewegen.

Om een ​​loopactie te creëren, moeten de benen verbonden worden met een vorm van perslucht of vloeistof. Onder constante druk zal een set benen naar beneden buigen, waardoor het lichaam hoger wordt getild en de bot ruw terrein kan overwinnen. Tegelijkertijd zal een andere set benen iets omhoog gaan. Vanaf daar buigt de laatste set benen naar beneden en naar achteren om een ​​voorwaartse duwactie te creëren. Dit zorgt ervoor dat de voorste benen vervolgens naar beneden buigen, waarmee een stapcyclus wordt voltooid.

Zachte actuatoren

Het apparaat kan deze taak met name uitvoeren dankzij de integratie van ingebedde vloeistofcircuits in het lichaam van de robot. Het printen van deze apparaten was moeilijker dan je zou denken. De ingenieurs moesten veel moeite doen om de beste methode te bepalen om deze luchtdichte componenten zoals actuatoren, kleppen en sensoren te printen.

Pneumatisch oscillerend circuit

De kern van dit next-generation soft robot design is een printbaar fluidic oscillator circuit. Dit circuit genereert vier cyclische output druksignalen, die van vitaal belang zijn. Indrukwekkend genoeg hebben de ingenieurs het gecreëerd om deze taak te volbrengen met slechts één drukinput.

Ze stelden vast dat een monolithische 3D-printbare vierfasen bistabiele oscillerende klep de beste oplossing was. Hun op maat gemaakte oscillerende klep integreert zes toestanden in één werkcyclus. Om deze taak te volbrengen, gebruikt het de mechanische bewegingen van de binnenste membranen en klepkanalen om drempels te manipuleren, waardoor toestandsveranderingen ontstaan ​​door geleidelijke drukveranderingen.

Elke klep stuurt de luchtstroom naar de volgende fase van het proces wanneer de druklimieten zijn bereikt. Interessant genoeg antwoordden ze, toen ze werden gevraagd hoe het team op dit concept kwam, dat het ontwerp was geïnspireerd door vroege stoomlocomotieven.

Hoe duurzaam is een 3D-geprinte robot? Testresultaten onthuld

De labtestfase van de zachte robot begon met een openluchtmonitoringproces. In deze stap werd de robot opgetild en werd er luchtdruk toegepast. Het team noteerde vervolgens de exacte acties die de robot maakte en hoe deze de beweging zouden beïnvloeden als de robot op de grond zou staan. Nadat de bewegingen van de benen in de lucht waren vastgelegd, kon het team het ontwerp aanpassen om een ​​duidelijk looppatroon te creëren.

De volgende test was om te zien hoe de robot functioneerde op alleen luchtdruk. Het team testte de elektronica-vrije werking van de robot met een 16-g CO2-cartridge met een mechanische regelaar ingesteld op 20 psi. Ze merkten op dat ze ongeveer 80 seconden konden werken met deze opstelling.

Levensduurtest

Vervolgens werd de duurzaamheid getest via levenscycli. Het team richtte zich op het testen van één enkele klep om de meeste details te krijgen. Als onderdeel van de test werd er constante druk toegepast en werden de effecten ervan geregistreerd. Ze merkten op dat de oscillerende klep 19,809 cycli functioneerde voordat deze volledig faalde.

Testresultaten van 3D-geprinte robots

De labtest leverde indrukwekkende resultaten op. Ten eerste kon de robot die het team had gemaakt een breed scala aan terreinen doorkruisen. De bot doorkruiste met succes gras, zand en verschillende andere moeilijke terreinen, waaronder onderwater.

Interessant genoeg liep de robot 85 cm in 21 seconden met een snelheid van 4 cm per seconde tijdens zijn gladde oppervlakteproeven. De tests lieten zien dat de liftende actie van de benen in de eerste sequentie van zijn stap de bot hielp om genoeg lift te krijgen om door ruwe omgevingen te reizen.

De duurzaamheidstest laat zien dat de apparaten drie dagen lang onafgebroken kunnen functioneren. Daarnaast ontdekte het team dat het grootste zwakke punt van het ontwerp de vier membranen in de oscillerende klep zijn. Deze ontdekking was geen grote verrassing, aangezien dit de componenten zijn die de meeste luchtdruk, herhaalde kracht en afbuiging binnen het systeem verdragen.

Voordelen van 3D-geprinte zachte robots zonder elektronica

Er zijn meerdere voordelen die de studie naar 3D-geprinte robots biedt. Ten eerste kunnen deze apparaten worden geprint met een gewone desktop 3D-oplossing. Deze aanpak betekent dat deze units gemakkelijk toegankelijk zijn voor de gemiddelde persoon of bedrijf. Ze zijn klaar om te printen en vereisen geen menselijke interactie of schoonmaak na het printen om operationeel te zijn.

Waarom 3D-geprinte robots zonder elektronica een gamechanger zijn

Een van de coolste aspecten van het project is absoluut de beslissing om de noodzaak voor elektronica te elimineren. Het vermogen van deze laarzen om te werken zonder elektronica betekent dat ze de voor de hand liggende oplossing zijn voor omgevingen die niet elektronica-vriendelijk zijn.

Wetenschappelijke studies in de ruimte, of rond locaties met veel straling of magnetisme, zijn een goed voorbeeld van waar deze apparaten van pas zouden komen. Daarnaast zijn onderwateromgevingen altijd lastig geweest voor traditionele elektronica vanwege de hoge drukbeperkingen.

Goedkope robotica: hoe 3D-printen robots goedkoper maakt

Deze studie opent de deur voor het printen van supergoedkope robots. Het apparaat dat de teamingenieurs creëerden kostte ongeveer $ 20. Hoewel dit apparaat misschien alleen kan lopen, kunnen toekomstige ontwerpen u helpen kerntaken uit te voeren zonder uw elektriciteitsrekening of fabricagekosten te verhogen.

3D-geprinte robots: toepassingen in de echte wereld en wanneer je ze kunt verwachten

Er zijn verschillende toepassingen voor elektronicavrije robots. Deze apparaten kunnen worden ingezet om belangrijke bewaking uit te voeren in vijandige of gevaarlijke gebieden. Het voordeel van deze aanpak is dat een printer op locatie kan worden neergezet en robots ter plekke kunnen worden gemaakt. Deze strategie zou zorgen voor eenvoudiger transport.

De gegevens in de softrobots-studie kunnen leiden tot de snelle inzet van goedkope, veerkrachtige eenheden in omgevingen waar traditionele elektronica faalt, zoals gebieden met sterke straling, rampgebieden of zelfs andere planeten. Gezien de eenvoud en betaalbaarheid van het ontwerp, kunnen praktische toepassingen binnen de komende 3 tot 5 jaar ontstaan.

Maak kennis met het team achter de elektronicavrije 3D-geprinte robot

De 3D-geprinte robotstudie werd gehost aan de University of California, San Diego. De hoofdauteurs zijn Yichen Zhai, Jiayao Yan en Michael T. Tolley. In het artikel worden ook Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta en de BASF California Research Alliance genoemd als bijdragers aan het werk. Daarnaast werd de studie gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation.

Opvallend is dat dit team een ​​cruciale rol heeft gespeeld in de ontwikkeling van zachte robottechnologie. De groep introduceerde in 2022 een elektronicavrije robotgrijper. Deze ervaring hielp hen om de volgende generatie elektronicavrije apparaten te creëren. Hun doel is nu om manieren te vinden om de gecomprimeerde gasopslag intern te verplaatsen en meer biologisch afbreekbare materialen te onderzoeken.

Topbedrijven die 3D-printen en zachte robotica bevorderen

Het gebruik van robots in huis en op het werk neemt toe. Daarom is er een sterke vraag om deze markt te domineren. Met name de robotica- en 3D-printmarkten hebben veel belangrijke spelers. Deze bedrijven hebben miljarden gestoken in R&D om functionerende next-gen apparaten te creëren. Hier is een bedrijf dat blijft innoveren en leveren.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD -6.04%) betrad de markt in 1986 en is gevestigd in Californië. Het oorspronkelijke doel was om 3D-printdiensten van de volgende generatie aan te bieden aan commerciële klanten. Als pionier in 3D-printen was het bedrijf cruciaal voor prototyping en andere cruciale componenten voor de lucht- en ruimtevaart, automobiel-, gezondheidszorg-, entertainment- en industriële markten.

Tegenwoordig loopt 3D Systems voorop in het ontwikkelen van additieve productietechnologieën, waaronder toepassingen in robotica. Het bedrijf heeft +1,925 werknemers en rapporteerde $ 488 miljoen aan inkomsten in 2023. Daarnaast tekende het bedrijf een strategisch partnerschap met Daimler Buses om lokale 3D-printers te leveren die reserveonderdelen kunnen maken.

Het laatste nieuws over 3D Systems Corp.

3D-geprinte robots

Deze ontwikkelingen vormen een nieuwe stap voorwaarts in de evolutie van zachte robotica. Door de noodzaak van elektronica te elimineren en volledige functionaliteit direct vanaf een desktop 3D-printer mogelijk te maken, baant dit onderzoek de weg voor betaalbare, veerkrachtige en inzetbare machines in omgevingen waar traditionele robots tekortschieten. Naarmate de ontwikkeling vordert, zijn de potentiële toepassingen - van rampenbestrijding tot ruimteverkenning - enorm en inspirerend. Een groot eerbetoon aan deze ingenieurs voor hun harde werk en inspanningen die de koers van de robotica-industrie in de toekomst zouden kunnen veranderen.

Leer meer over andere coole doorbraken in 3D-printen Nu.

Geraadpleegde studies:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, MT (2025). Monolithische desktop digitale fabricage van autonome lopende robotsGeavanceerde intelligente systemen. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}