20/06/2022
Door Ad Spijkers
De University of California Los Angeles ontwikkelde een belofte voor 'metabots' die zijn ontworpen om medicijnen te leveren of reddingsmissies te ondersteunen.
Technici onder leiding van de UCLA hebben een nieuwe ontwerpstrategie en 3D-printtechniek ontwikkeld om robots in één stap te bouwen. Alle mechanische en elektronische systemen die nodig zijn om een robot te bedienen, kunnen in één keer worden vervaardigd door een nieuw type 3D-printproces voor gemanipuleerde actieve materialen met meerdere functies (ook bekend als metamaterialen). Eenmaal 3D-geprint, zal een 'meta-bot' in staat zijn tot voortstuwing, beweging, detectie en besluitvorming.
Geprinte metamaterialen
De gedrukte metamaterialen bestaan uit een intern netwerk van sensor-, bewegings en structuurelementen en kunnen zichzelf bewegen volgens geprogrammeerde commando's. De enige externe component is een kleine batterij om de robot van stroom te voorzien.
De onderzoekers stellen zich voor dat deze ontwerp- en printmethodologie van slimme robotmaterialen zal helpen bij het realiseren van een klasse van autonome materialen. Deze zouden het huidige complexe assemblageproces voor het maken van een robot kunnen vervangen. Een aldus gemaakte robot is vergelijkbaar met een biologisch systeem waarbij de zenuwen, botten en pezen samenwerken om gecontroleerde bewegingen uit te voeren.
De meeste robots worden gebouwd in een reeks complexe fabricagestappen waarin de ledematen, elektronische en actieve componenten zijn geïntegreerd. Het proces resulteert in aanzienlijke gewichten, grote volumes en verminderde belastbaarheid in vergelijking met robots die met deze nieuwe methode zouden kunnen worden gebouwd.
Piëzo-elektrisch
De door de UCLA ontwikkelde robotmaterialen zijn samengesteld uit ingewikkelde piëzo-elektrische en structurele elementen die zijn ontworpen om met hoge snelheden te buigen, buigen, draaien, roteren, uitzetten of inkrimpen. De metamaterialen vormen een klasse van ingewikkelde roostermaterialen die van vorm kunnen veranderen en bewegen als reactie op een elektrisch veld of ze kunnen elektrische lading creëren als gevolg van fysieke krachten.
Dankzij het piëzo-elektrische effect in twee richtingen kunnen de robotmaterialen ook zelf hun verdraaiingen waarnemen, obstakels detecteren via echo's en ultrasone emissies, en reageren op externe stimuli via een feedbackregellus die bepaalt hoe de robots bewegen, hoe snel ze bewegen en naar welk doel ze bewegen.”
Het team ontwikkelde ook een methodologie om deze robotachtige materialen te ontwerpen, zodat gebruikers hun eigen modellen kunnen maken en de materialen rechtstreeks in een robot kunnen printen. Hierdoor kunnen bedieningselementen precies in de robot worden gerangschikt voor snelle, complexe en uitgebreide bewegingen op verschillende soorten terrein.
Met behulp van de techniek heeft het team drie 'metabots' met verschillende mogelijkheden gebouwd en gedemonstreerd. De ene robot kan navigeren rond S-vormige hoeken en willekeurig geplaatste obstakels, een andere kan ontsnappen als reactie op een contactimpact, terwijl de derde robot over ruw terrein kan lopen en zelfs kleine sprongen kan maken (zie de video).
Toepassingen
De volledig autonome robots hebben de grootte van een vingernagel. De methode zou kunnen leiden tot nieuwe ontwerpen voor biomedische robots, zoals zelfsturende endoscopen of kleine zwemrobots. Deze laatste kunnen ultrageluid uitzenden en zichzelf in de buurt van bloedvaten navigeren om medicijndoses afleveren op specifieke doellocaties in het lichaam.
Deze 'metabots' kunnen ook gevaarlijke omgevingen verkennen. In een ingestort gebouw kan een zwerm van zulke kleine robots, voorzien van geïntegreerde sensoronderdelen, bijvoorbeeld snel toegang krijgen tot besloten ruimtes. Ze kunnen er dreigingsniveaus inschatten en mensen vinden die vastzitten in het puin.
Foto: Rayne Research Group/UCLA