FUENTE: Techxplore
Un equipo de ingenieros de UCLA y sus colegas han desarrollado una nueva estrategia de diseño y una técnica de impresión 3D para construir robots en un solo paso.
Un estudio que esbozó el avance, junto con la construcción y demostración de una variedad de pequeños robots que caminan, maniobran y saltan, fue publicado en Science.
El avance permitió que todos los sistemas mecánicos y electrónicos necesarios para operar un robot se fabricaran de una vez por un nuevo tipo de proceso de impresión 3D para materiales activos diseñados con múltiples funciones (también conocidos como metamateriales). Una vez impreso en 3D, un «metabot» será capaz de propulsión, movimiento, detección y toma de decisiones.
Los metamateriales impresos consisten en una red interna de elementos sensoriales, móviles y estructurales y pueden moverse por sí mismos siguiendo comandos programados. Con la red interna de movimiento y detección ya en su lugar, el único componente externo necesario es una pequeña batería para alimentar el robot.
Un equipo de ingenieros de UCLA y sus colegas han desarrollado una nueva estrategia de diseño y una técnica de impresión 3D para construir robots en un solo paso. Un estudio que esbozó el avance, junto con la construcción y demostración de una variedad de pequeños robots que caminan, maniobran y saltan, se presenta en Science. El video muestra sus capacidades y el proceso de desarrollo. Crédito: Rayne Research Group/UCLA.
«Prevemos que esta metodología de diseño e impresión de materiales robóticos inteligentes ayudará a realizar una clase de materiales autónomos que podrían reemplazar el complejo proceso de ensamblaje actual para hacer un robot», dijo el investigador principal del estudio, Xiaoyu (Rayne) Zheng, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental, y de ingeniería mecánica y aeroespacial en la UCLA Samueli School of Engineering. «Con movimientos complejos, múltiples modos de detección y habilidades de toma de decisiones programables, todo estrechamente integrado, es similar a un sistema biológico con los nervios, huesos y tendones trabajando en tándem para ejecutar movimientos controlados».
El equipo demostró la integración con una batería y un controlador a bordo para el funcionamiento totalmente autónomo de los robots impresos en 3D, cada uno del tamaño de una uña. De acuerdo con Zheng, quien también es miembro del Instituto NanoSystems de California en UCLA, la metodología podría conducir a nuevos diseños para robots biomédicos, como endoscopios autodirigidos o pequeños robots de natación, que pueden emitir ultrasonidos y navegar cerca de los vasos sanguíneos para administrar dosis de medicamentos en sitios específicos dentro del cuerpo.
Estos «meta-bots» también pueden explorar ambientes peligrosos. En un edificio derrumbado, por ejemplo, un enjambre de robots tan pequeños armados con piezas de detección integradas podría acceder rápidamente a espacios confinados, evaluar los niveles de amenaza y ayudar a los esfuerzos de rescate encontrando personas atrapadas entre los escombros.
La mayoría de los robots, sin importar su tamaño, se construyen típicamente en una serie de pasos de fabricación complejos que integran las extremidades, componentes electrónicos y activos. El proceso resulta en pesos más pesados, volúmenes más voluminosos y una reducción de la fuerza de salida en comparación con los robots que se podrían construir utilizando este nuevo método.
La clave en el método todo en uno liderado por UCLA es el diseño e impresión de metamateriales piezoeléctricos, una clase de intrincados materiales de celosía que pueden cambiar de forma y moverse en respuesta a un campo eléctrico o crear carga eléctrica como resultado de fuerzas físicas.
El uso de materiales activos que pueden traducir la electricidad a movimientos no es nuevo. Sin embargo, estos materiales generalmente tienen límites en su rango de movimiento y distancia de viaje. También necesitan estar conectados a sistemas de transmisión tipo caja de cambios para lograr los movimientos deseados.
Por el contrario, los materiales robóticos desarrollados por UCLA, cada uno del tamaño de un centavo, están compuestos de intrincados elementos piezoeléctricos y estructurales que están diseñados para doblar, flexionar, torcer, rotar, expandir o contraerse a altas velocidades.
El equipo también presentó una metodología para diseñar estos materiales robóticos para que los usuarios pudieran hacer sus propios modelos e imprimir los materiales en un robot directamente.
«Esto permite que los elementos de accionamiento se organicen precisamente en todo el robot para movimientos rápidos, complejos y extendidos en varios tipos de terreno», dijo el autor principal del estudio, Huachen Cui, un investigador postdoctoral de la UCLA en el Laboratorio de Fabricación Aditiva y Metamateriales de Zheng.
«Con el efecto piezoeléctrico bidireccional, los materiales robóticos también pueden auto-detectar sus contorsiones, detectar obstáculos a través de ecos y emisiones de ultrasonidos, así como responder a estímulos externos a través de un bucle de control de retroalimentación que determina cómo se mueven los robots, qué tan rápido se mueven y hacia qué objetivo se mueven».
Usando la técnica, el equipo construyó y demostró tres «meta-bots» con diferentes capacidades. Un robot puede navegar por las esquinas en forma de S y los obstáculos colocados al azar, otro puede escapar en respuesta a un impacto de contacto, mientras que el tercer robot podría caminar sobre el terreno áspero e incluso hacer pequeños saltos.
Otros autores del estudio de la UCLA son los estudiantes graduados Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu y Haotian Lu; el académico postdoctoral Ariel Calderón; el ingeniero asociado en desarrollo Zhen Wang. Otros autores son Sheyda Davaria, investigadora asociada de Virginia Tech; Patrick Mercier, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en UC San Diego; y Pablo Tarazaga, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas A&M.
El avance incorpora técnicas de impresión 3D previamente desarrolladas por Zheng y Hensleigh, mientras que ambos eran investigadores de Virginia Tech, que tiene la patente. Los investigadores planean presentar una patente adicional a través del Grupo de Desarrollo Tecnológico de la UCLA para la nueva metodología desarrollada en la UCLA.