Исследование, в котором описан прогресс, наряду с созданием и демонстрацией ассортимента крошечных роботов, которые ходят, маневрируют и прыгают, было опубликовано в Наука.

Этот прорыв позволил сразу изготовить все механические и электронные системы, необходимые для управления роботом, с помощью нового типа процесса 3D-печати для инженерных активных материалов с множеством функций (также известных как метаматериалы). После 3D-печати "мета-бот" будет способен к движению, сенсорике и принятию решений.

Печатные метаматериалы состоят из внутренней сети сенсорных, движущихся и структурных элементов и могут перемещаться сами по себе, следуя запрограммированным командам. Поскольку внутренняя сеть перемещения и зондирования уже создана, единственным внешним компонентом, необходимым для питания робота, является небольшая батарея.

"Мы предполагаем, что эта методология проектирования и печати интеллектуальных роботизированных материалов поможет создать класс автономных материалов, которые могли бы заменить нынешний сложный процесс сборки робота", - сказал главный исследователь исследования Сяоюй (Рейн) Чжэн, доцент кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды, а также механики и аэрокосмическая инженерия в инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Благодаря сложным движениям, множеству режимов восприятия и программируемым способностям принятия решений, которые тесно интегрированы, это похоже на биологическую систему с нервами, костями и сухожилиями, работающими в тандеме для выполнения контролируемых движений".

Команда продемонстрировала интеграцию со встроенной батареей и контроллером для полностью автономной работы роботов, напечатанных на 3D-принтере, каждый из которых размером с ноготь пальца. По словам Чжэна, который также является сотрудником Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, методология может привести к созданию новых конструкций биомедицинских роботов, таких как самонаводящиеся эндоскопы или крошечные плавающие роботы, которые могут излучать ультразвук и перемещаться вблизи кровеносных сосудов, чтобы доставлять дозы лекарств в определенные целевые участки внутри тела..

Эти "мета-боты" также могут исследовать опасные среды. Например, в рухнувшем здании рой таких крошечных роботов, вооруженных встроенными чувствительными элементами, мог бы быстро получить доступ к замкнутым пространствам, оценить уровень угрозы и помочь спасательным работам, обнаружив людей, оказавшихся в ловушке под обломками.

Большинство роботов, независимо от их размера, обычно создаются в результате серии сложных производственных этапов, которые объединяют конечности, электронные и активные компоненты. Этот процесс приводит к увеличению веса, объема и снижению производительности по сравнению с роботами, которые могли бы быть созданы с использованием этого нового метода.

Ключевым моментом в методе "все в одном", разработанном Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе, является разработка и печать пьезоэлектрических метаматериалов - класса материалов со сложной решеткой, которые могут изменять форму и перемещаться в ответ на электрическое поле или создают электрический заряд в результате действия физических сил.

Использование активных материалов, которые могут преобразовывать электричество в движения, не ново. Однако эти материалы, как правило, имеют ограничения в диапазоне их перемещения и дальности перемещения. Они также должны быть подключены к трансмиссионным системам, подобным коробкам передач, для достижения желаемых движений.

Напротив, роботизированные материалы, разработанные Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе, каждый размером с пенни, состоят из сложных пьезоэлектрических и структурных элементов, которые предназначены для сгибания, флексии, скручивания, вращения, расширения или сжатия на высоких скоростях.

Команда также представила методологию проектирования этих роботизированных материалов, чтобы пользователи могли создавать свои собственные модели и печатать материалы непосредственно в роботе.

"Это позволяет точно расположить исполнительные элементы по всему роботу для быстрых, сложных и продолжительных перемещений по различным типам местности", - сказал ведущий автор исследования Хуачен Цуй, аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в лаборатории аддитивного производства и метаматериалов Чжэна. "Благодаря двустороннему пьезоэлектрическому эффекту роботизированные материалы также могут самостоятельно ощущать свои искажения, обнаруживать препятствия с помощью эхо-сигналов и ультразвуковых излучений, а также реагировать на внешние раздражители через контур управления с обратной связью, который определяет, как роботы движутся, как быстро они движутся и к какой цели они движутся".

Используя эту технику, команда создала и продемонстрировала трех "мета-ботов" с различными возможностями. Один робот может обходить S-образные углы и случайно расположенные препятствия, другой может убегать в ответ на контактный удар, в то время как третий робот может ходить по пересеченной местности и даже совершать небольшие прыжки.

Другими авторами исследования в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе являются аспиранты Дешэн Яо, Райан Хенсли, Чжэньпэн Сюй и Хаотиан Лу; постдокторант Ариэль Кальдерон; инженер-разработчик Чжэнь Ван. Дополнительными авторами являются Шейда Давария, научный сотрудник Virginia Tech; Патрик Мерсье, адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники в Калифорнийском университете в Сан-Диего; и Пабло Таразага, профессор машиностроения в Техасском университете A & M.

Исследование было поддержано премией молодого преподавателя и стипендией директора Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) при дополнительном финансировании со стороны Управления военно-морских исследований США, Управления научных исследований ВВС и Национального научного фонда.

Усовершенствование включает в себя методы 3D-печати, ранее разработанные Чжэном и Хенсли, когда оба были исследователями в Virginia Tech, которая владеет патентом. Исследователи планируют подать дополнительный патент через Группу разработки технологий Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе на новую методологию, разработанную в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.