Недорогі 3D-друковані роботи працюють без електроніки

У світі робототехніки мрія про виробництво машин, готових до прямого друку, все ще далеко, або принаймні була. Команда дослідників з Каліфорнійського університету нещодавно приголомшила ринок, опублікувавши деталі нового методу виготовлення та конструкції робота, який не потребує електроенергії та готовий до друку одразу з принтера. Ось що вам потрібно знати про... 3D надруковані роботів

Як створюють роботів? Вивчення сучасних технологій виготовлення роботів

Існує багато різних типів роботів і ще більше способів створення цих пристроїв. Традиційних роботів можна створювати на конвеєрах, і для їх збирання та запуску може знадобитися багато кроків. Наприклад, один виробник може виробляти корпус, а інші виробляють електронні компоненти, батареї, контролери та інші основні компоненти.

Що таке м'які роботи? Переваги та використання в реальному світі

М'які роботи є ще одним типом машин, які позбавляються жорсткого екзоскелета традиційних роботів. Натомість у м’яких роботах використовуються альтернативні матеріали, такі як силікони, і конструкції, які дозволяють їм змінювати свою форму. Основні переваги м’яких роботів полягають у тому, що вони підтримують маніпуляції, можуть долати складні середовища та забезпечують безпечну взаємодію з людьми.

Удосконалення 3D-друку м’яких роботів із рідинними контурами

Попит на м'яких роботів призвів до кількох модернізацій виробничих процесів. Нещодавні прориви в 3D-друку дозволили інженерам розробляти м'яких роботів, які є більш потужними за один прохід. Сучасні найсучасніші методи виготовлення м'яких роботів зменшують складність м'яких роботів.

Для виконання цього завдання використовуються пневматичні схеми, які використовують нелінійні реакції матеріалу. Використання рідинних схем керування дозволяє інженерам виготовляти більше пристроїв в одному місці. Примітно, що інженери цього проекту також відіграли ключову роль в інших роботах, зокрема у створенні надрукованого на 3D-принтері роботизованого захоплення та гусеничного ходу з вбудованими схемами керування.

Труднощі 3D-друку та збирання м’яких роботів

У секторі виробництва м’якої робототехніки досі існує багато проблем. По-перше, системи лиття під тиском дозволяють створювати деталі, але керування цими вузлами все ще вимагає додаткових компонентів. Крім того, це дорого, трудомістко та недоступно для більшості людей.

У багатьох випадках складна система насосів, клапанів та іншої електроніки повинна бути підключена до тіла на окремій платі за допомогою проводів, щоб досягти будь-якої форми контрольованого пересування. Необхідність мати прив’язаний багажник усуває його переваги та обмежує можливості м’якого робота, такі як навігація у вузьких місцях або середовищах.

Нове дослідження розкриває повністю надрукованого на 3D-принтері крокуючого робота без електроніки

Навчання "Монолітне настільне цифрове виготовлення автономних крокуючих роботів, Â € ¹ опублікованому в журналі Advanced Intelligent Systems, розповідає про те, як інженери розробили повністю надрукованого на 3D-принтері шестиногого робота без електроніки, який може ходити відразу після друку. Ще більш вражаючим є той факт, що пристрій працює виключно від постійного джерела тиску повітря.

Дослідження є революційним з багатьох причин. По-перше, тут детально пояснюється, як інженерам вдається подолати труднощі 3D-друку закритого клапана. У звіті команда успішно досягає пересування робота поза принтером, використовуючи симетричні коливання через клапани затримки фази з пневматичним приводом.

Як настільні 3D-принтери забезпечують роботу повнофункціональних програмних роботів

Примітно, що інженери використовували готовий комерційно доступний настільний 3D-принтер для створення м’яких компонентів зі складною геометрією, які потребують мінімальної людської праці. Інженери досліджують кілька матеріалів. Вони навіть співпрацювали з корпорацією BASF через її Каліфорнійський дослідницький альянс (CARA), щоб перевірити, які матеріали найкраще підходять для створення каркаса, штучних м’язів та системи керування шестиногого робота команди.

Джерело UC San Diego

Надрукований на 3D-принтері крокуючий робот, який працює прямо з принтера

Крокуючий робот, якого надрукувала команда, здатний ходити самостійно без будь-яких електронних компонентів. Натомість він покладається на стиснене повітря та мережу клапанів, які відкриваються та закриваються залежно від змін тиску, щоб рухати своїми шістьма ногами. Примітно, що творіння команди може пересуватися по пересіченій місцевості без прив'язки, використовуючи лише балончик зі стисненим газом як джерело живлення.

Ноги робота

Одним з унікальних аспектів готового робота є його конструкція ніг. Шість ніжок були надруковані за допомогою комерційно доступної нитки для 3D-друку. Кожна з ніжок містить м’які антагоністичні пневматичні приводи з можливістю друку. Ця установка забезпечує кожному витоку чотири ступені руху. Кожна нога може рухатися вгору, вниз, вперед і назад.

Щоб створити рух під час ходьби, ноги потрібно підключити до певної форми повітря або рідини під тиском. Під постійним тиском один набір ніг буде згинатися, піднімаючи тіло вище та допомагаючи боту розчищатися по пересіченій місцевості. У той же час інший комплект ніг трохи підніметься. Звідти останній набір ніг згинається вниз і назад, створюючи рух вперед. Це змушує передні ноги згинатися вниз, завершуючи кроковий цикл.

М'які приводи

Примітно, що пристрій може виконати це завдання завдяки інтеграції вбудованих рідинних контурів у тіло робота. Друкувати ці пристрої було складніше, ніж можна було собі уявити. Інженерам довелося докласти значних зусиль, щоб визначити найкращий спосіб друку таких герметичних компонентів, як приводи, клапани та датчики.

Пневматичний коливальний контур

В основі дизайну цього м’якого робота наступного покоління лежить контур рідинного осцилятора, який можна друкувати. Ця схема генерує чотири життєво важливі циклічні вихідні сигнали тиску. Вражаюче те, що інженери створили його для виконання цього завдання, використовуючи лише один тиск.

Вони визначили, що найкращим рішенням є монолітний чотирифазний бістабільний коливальний клапан, який можна друкувати на 3D. Їх спеціально виготовлений осцилюючий клапан об’єднує шість станів в одному робочому циклі. Щоб виконати це завдання, він використовує механічні рухи внутрішніх мембран і каналів клапанів для маніпулювання порогами, створюючи зміни стану через поступові зміни тиску.

Кожен клапан спрямовує потік повітря на наступну стадію процесу, коли досягаються межі тиску. Цікаво, що на запитання про те, як команда придумала цю концепцію, вони відповіли, що дизайн був натхненний ранніми паровими двигунами локомотивів.

Наскільки міцний робот, надрукований на 3D? Оголошено результати тесту

Фаза лабораторних випробувань м’якого робота почалася з процесу моніторингу під відкритим небом. На цьому кроці робота підняли та застосували тиск повітря. Потім команда відзначила точні дії, які виконує робот, і те, як вони впливатимуть на рух, якщо робот буде на землі. Записавши рухи ніг у повітрі, команда змогла відкоригувати дизайн, щоб створити чітку модель ходьби.

Наступним тестом було перевірити, як робот функціонує лише на тиску повітря. Команда перевірила роботу робота без електроніки за допомогою 16-грамового картриджа CO2 з механічним регулятором, встановленим на 20 psi. Вони відзначили, що вони можуть отримати приблизно 80 секунд роботи за допомогою цієї установки.

Тест на все життя

Далі перевіряли довговічність за допомогою життєвих циклів. Команда зосередилася на тестуванні одного клапана, щоб отримати якнайбільше деталей. У рамках тесту застосовувався постійний тиск і реєструвався його вплив. Вони відзначили, що коливальний клапан працював протягом 19,809 XNUMX циклів, перш ніж повністю вийшов з ладу.

Результати випробувань роботів, надрукованих на 3D

Лабораторне дослідження показало вражаючі результати. По-перше, робот, створений командою, міг долати широкий спектр місцевості. Бот успішно долав торф, пісок та різні інші складні місцевості, в тому числі під водою.

Цікаво, що під час випробувань на гладкій поверхні робот пройшов 85 см за 21 секунду зі швидкістю 4 см на секунду. Тестування показало, що підйом ніг у першій послідовності його кроку допоміг боту отримати достатню підйомну силу для подорожі через складне середовище.

Тест на міцність показує, що пристрої можуть безперервно працювати протягом трьох днів поспіль. Крім того, команда виявила, що головним слабким місцем конструкції є чотири мембрани в коливальному клапані. Це відкриття не було великою несподіванкою, оскільки саме ці компоненти витримують найбільший тиск повітря, повторювану силу та відхилення в системі.

Переваги 3D-друку м’яких роботів без електроніки

Дослідження 3D-друкованих роботів має багато переваг. По-перше, ці пристрої можна друкувати за допомогою звичайного настільного 3D-рішення. Такий підхід означає, що ці одиниці легко доступні для пересічної людини або підприємства. Вони готові до роботи з принтером і не потребують участі людини чи очищення після друку.

Чому 3D-друковані роботи без електроніки змінюють гру

Безумовно, одним із найкрутіших аспектів проекту є рішення усунути потребу в електроніці. Здатність цих черевиків працювати без електроніки означає, що вони є очевидним рішенням для середовищ, де електроніка не підходить.

Наукові дослідження в космосі або в місцях із високим випромінюванням чи магнітними полями є яскравим прикладом того, де ці пристрої можуть стати в нагоді. Крім того, підводне середовище завжди було проблемою для традиційної електроніки через обмеження високого тиску.

Недорога робототехніка: як 3D-друк робить роботів дешевшими

Це дослідження відкриває двері для друку наддешевих роботів. Пристрій, створений командою інженерів, коштував близько 20 доларів. Хоча він може лише ходити, майбутні конструкції допоможуть вам виконувати основні завдання, не збільшуючи рахунки за електроенергію чи витрати на виготовлення.

3D-друковані роботи: використання в реальному світі та коли їх очікувати

Існує кілька застосувань для роботів без електроніки. Ці пристрої можуть надсилатися для проведення важливого спостереження за ворожими чи небезпечними районами. Перевага цього підходу полягає в тому, що принтер можна скинути на місці та створити роботів на місці. Ця стратегія дозволить спростити транспортування.

Дані, які містяться в дослідженні м’яких роботів, можуть сприяти швидкому розгортанню недорогих стійких пристроїв у середовищах, де традиційна електроніка виходить з ладу, наприклад у зонах із сильним випромінюванням, зонах лиха чи навіть на інших планетах. Враховуючи простоту та доступність конструкції, практичні застосування можуть з’явитися протягом наступних 3-5 років.​

Познайомтеся з командою, що стоїть за роботом, надрукованим на 3D-принтері без електроніки

Дослідження робота, надрукованого на 3D, проводилося в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго. Провідними авторами є Ічен Чжай, Цзяяо Янь і Майкл Т. Толлі. У документі також зазначено, що Альберт Де Бур, Мартін Фабер, Рохіні Гупта та Каліфорнійський дослідницький альянс BASF зробили внесок у роботу. Крім того, дослідження було частково профінансовано Національним науковим фондом.

Примітно, що ця команда відіграла ключову роль у розробці технології м’яких роботів. У 2022 році група представила роботизований захват без електроніки. Цей досвід допоміг їм створити наступне покоління пристроїв без електроніки. Тепер їхня мета — знайти способи перемістити сховище стисненого газу всередину та дослідити більше біорозкладаних матеріалів.

Найкращі компанії, що просувають 3D-друк і програмну робототехніку

Використання роботів у побуті та бізнесі зростає. Як наслідок, існує сильний попит на домінування на цьому ринку. Зокрема, на ринках робототехніки та 3D-друку є багато ключових гравців. Ці фірми вклали мільярди в дослідження та розробки для створення функціональних пристроїв наступного покоління. Ось одна компанія, яка продовжує впроваджувати інновації та досягати успіхів.

Корпорація 3D Systems

Корпорація 3D Systems (DDD ) вийшла на ринок у 1986 році та базується в Каліфорнії. Його початковою метою було запропонувати комерційним клієнтам послуги 3D-друку нового покоління. Будучи піонером у сфері 3D-друку, компанія відіграла ключову роль у створенні прототипів та інших критичних компонентів для ринків аерокосмічної, автомобільної промисловості, охорони здоров’я, розваг та промисловості.

Сьогодні 3D Systems знаходиться в авангарді розвитку технологій адитивного виробництва, включаючи застосування в робототехніці. У компанії понад 1,925 співробітників, а дохід у 488 році склав 2023 мільйонів доларів США. Крім того, компанія уклала стратегічне партнерство з Daimler Buses, щоб забезпечити місцеві 3D-принтери, які можуть створювати запасні частини.

Остання інформація про 3D Systems Corp.

3D-друковані роботи

Ці досягнення представляють ще один крок вперед в еволюції м’якої робототехніки. Усуваючи потребу в електроніці та забезпечуючи повну функціональність прямо з настільного 3D-принтера, це дослідження прокладає шлях до доступних, стійких і придатних до розгортання машин у середовищах, де традиційні роботи не вистачають. Оскільки розвиток триває, потенційні можливості застосування — від надання допомоги при катастрофах до дослідження космосу — є величезними та надихаючими. Щиро вітаю цих інженерів за їх наполегливу працю та зусилля, які могли б змінити курс розвитку робототехнічної промисловості.

Дізнайтеся про інші прориви в 3D-друкі зараз.

Посилання на дослідження:

^{1. Чжай Ю., Ян Дж., Де Бур А., Фабер М., Гупта Р. та Толі М.Т. (2025). Монолітне настільне цифрове виготовлення автономних крокуючих роботів. Передові інтелектуальні системи. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}