automatisiertes System generiert Roboterteile für neuartige Aufgaben

Ein von MIT-Forschern entwickeltes automatisiertes System entwirft und druckt komplexe Roboterteile, sogenannte Aktuatoren, die nach einer enormen Anzahl von Spezifikationen optimiert wurden. Kurz gesagt, das System erledigt automatisch das, was der Mensch von Hand so gut wie nicht machen kann.

In einem in Science Advances veröffentlichten Artikel demonstrieren die Forscher das System durch die Herstellung von Aktuatoren – Vorrichtungen, die Robotersysteme als Reaktion auf elektrische Signale mechanisch steuern -, die unterschiedliche Schwarzweißbilder in unterschiedlichen Winkeln zeigen. Ein Aktuator zum Beispiel zeigt ein Porträt von Vincent van Gogh, wenn er flach gelegt wird. Wenn es aktiviert ist, ist es in einem Winkel geneigt und zeigt das berühmte Edvard-Munch-Gemälde „Der Schrei“. Die Forscher druckten auch schwimmende Seerosen in 3D mit Blütenblättern, die mit Anordnungen von Aktuatoren und Scharnieren ausgestattet waren, die sich als Reaktion auf durchlaufende Magnetfelder zusammenfalten leitende Flüssigkeiten.

Die Aktuatoren bestehen aus einem Patchwork aus drei verschiedenen Materialien, die jeweils eine andere helle oder dunkle Farbe aufweisen und eine Eigenschaft wie Flexibilität und Magnetisierung aufweisen, die den Winkel des Aktuators als Reaktion auf ein Steuersignal steuert. Die Software unterteilt das Aktuatordesign zunächst in Millionen dreidimensionaler Pixel oder „Voxel“, die jeweils mit einem beliebigen Material gefüllt werden können. Anschließend werden Millionen von Simulationen ausgeführt, in denen verschiedene Voxel mit verschiedenen Materialien gefüllt werden. Letztendlich landet es auf der optimalen Platzierung jedes Materials in jedem Voxel, um zwei verschiedene Bilder in zwei verschiedenen Winkeln zu erzeugen. Ein kundenspezifischer 3D-Drucker fertigt dann den Aktuator, indem er das richtige Material Schicht für Schicht in das richtige Voxel aufträgt.

„Unser oberstes Ziel ist es, für jedes Problem automatisch ein optimales Design zu finden und es dann anhand der Ergebnisse unseres optimierten Designs zu fertigen“, sagt Subramanian Sundaram PhD ’18, ein ehemaliger Doktorand im Labor für Informatik und künstliche Intelligenz (CSAIL). „Wir gehen von der Auswahl der Druckmaterialien über das Finden des optimalen Designs bis hin zur nahezu automatisierten Herstellung des Endprodukts.“

Die wechselnden Bilder zeigen, was das System kann. Optisch und funktionell optimierte Aktuatoren könnten aber auch für die Biomimik in der Robotik eingesetzt werden. Zum Beispiel entwerfen andere Forscher Unterwasserroboterhäute mit Aktuator-Arrays, die Dentikel auf Haifischhaut imitieren sollen. Die Zähne verformen sich gemeinsam, um den Luftwiderstand für ein schnelleres und ruhigeres Schwimmen zu verringern. „Sie können sich Unterwasserroboter vorstellen, bei denen eine ganze Reihe von Aktuatoren die Oberfläche ihrer Haut beschichtet, die für effizientes Ziehen und Drehen optimiert werden können, und so weiter“, sagt Sundaram.

In ihrer Arbeit passten die Forscher zunächst drei Polymermaterialien mit spezifischen Eigenschaften an, die sie zum Aufbau ihrer Aktuatoren benötigten: Farbe, Magnetisierung und Steifigkeit. Am Ende produzierten sie ein nahezu transparentes starres Material, ein undurchsichtiges flexibles Material, das als Scharnier verwendet wurde, und ein braunes Nanopartikelmaterial, das auf ein magnetisches Signal reagiert. Sie haben all diese Charakterisierungsdaten in eine Eigenschaftsbibliothek gesteckt.

Das System verwendet als Eingabe Graustufen-Bildbeispiele – wie den flachen Aktuator, der das Van Gogh-Porträt anzeigt, sich jedoch in einem exakten Winkel neigt, um „The Scream“ anzuzeigen. Es führt im Grunde eine komplexe Form von Versuch und Irrtum aus, die einer Neuanordnung eines Zauberwürfels ähnelt In diesem Fall werden jedoch rund 5,5 Millionen Voxel iterativ neu konfiguriert, um einem Bild zu entsprechen und einen gemessenen Winkel zu treffen.

Die Arbeit könnte als Sprungbrett für das Entwerfen größerer Strukturen wie Flugzeugflügel dienen, sagt Sundaram. In ähnlicher Weise haben Forscher begonnen, Flugzeugflügel in kleinere voxelartige Blöcke zu zerlegen, um ihre Konstruktionen hinsichtlich Gewicht und Auftrieb sowie anderer Messgrößen zu optimieren. “Wir sind noch nicht in der Lage, Flügel oder ähnliches in diesem Maßstab oder mit diesen Materialien zu drucken. Aber ich denke, dies ist ein erster Schritt in Richtung dieses Ziels“, sagt Sundaram.