UCLA-Ingenieure entwickeln ein einstufiges, komplettes 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Robotern in nur einem Schritt

Ein Team von UCLA-Ingenieuren und ihre Kollegen haben eine neue Designstrategie und 3D-Drucktechnik entwickelt, um Roboter in einem einzigen Schritt zu bauen. Eine Studie, die diesen Fortschritt zusammen mit dem Bau und der Demonstration einer Reihe von winzigen Robotern, die laufen, manövrieren und springen, beschreibt, wurde in Science veröffentlicht.

Der Durchbruch ermöglichte es, die gesamten mechanischen und elektronischen Systeme, die für den Betrieb eines Roboters erforderlich sind, mit einem neuartigen 3D-Druckverfahren für technisch aktive Materialien mit mehreren Funktionen (auch bekannt als Metamaterialien) auf einmal herzustellen. Nach dem 3D-Druck wird ein “Meta-Roboter” in der Lage sein, sich anzutreiben, zu bewegen, zu erkennen und Entscheidungen zu treffen.

Die gedruckten Metamaterialien bestehen aus einem internen Netzwerk von sensorischen, beweglichen und strukturellen Elementen und können sich selbständig bewegen, indem sie programmierten Befehlen folgen. Da das interne Bewegungs- und Sensornetz bereits vorhanden ist, wird als einziges externes Bauteil eine kleine Batterie für die Stromversorgung des Roboters benötigt.

“Wir stellen uns vor, dass diese Design- und Druckmethodik für intelligente Robotermaterialien dazu beitragen wird, eine Klasse von autonomen Materialien zu realisieren, die den derzeitigen komplexen Montageprozess für die Herstellung eines Roboters ersetzen könnte”, so Xiaoyu (Rayne) Zheng, ein außerordentlicher Professor für Bau- und Umwelttechnik sowie für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Samueli School of Engineering der UCLA.

“Wir stellen uns vor, dass diese Design- und Druckmethodik für intelligente Robotermaterialien dazu beitragen wird, eine Klasse autonomer Materialien zu realisieren, die den derzeitigen komplexen Montageprozess für die Herstellung eines Roboters ersetzen könnte”, sagte der Hauptautor der Studie, Xiaoyu (Rayne) Zheng. “Mit komplexen Bewegungen, mehreren Arten von Sensoren und programmierbaren Entscheidungsfähigkeiten, die alle eng integriert sind, ähnelt es einem biologischen System, bei dem Nerven, Knochen und Sehnen im Tandem arbeiten, um kontrollierte Bewegungen auszuführen.

Das Team demonstrierte die Integration mit einer eingebauten Batterie und einem Steuergerät für den völlig autonomen Betrieb der 3D-gedruckten Roboter – jeder hat die Größe eines Fingernagels. Laut Zheng, der auch Mitglied des California NanoSystems Institute an der UCLA ist, könnte die Methodik zu neuen Entwürfen für biomedizinische Roboter führen, wie z. B. selbststeuernde Endoskope oder winzige schwimmende Roboter, die Ultraschall aussenden und sich selbst in die Nähe von Blutgefäßen navigieren können, um Medikamente an bestimmte Zielstellen im Körper zu bringen.

Diese “Meta-Bots” können auch gefährliche Umgebungen erkunden. In einem eingestürzten Gebäude zum Beispiel könnte ein Schwarm solcher winzigen Roboter, die mit integrierten Sensorteilen ausgestattet sind, schnell in enge Räume vordringen, das Ausmaß der Bedrohung einschätzen und bei den Rettungsbemühungen helfen, indem sie in den Trümmern eingeschlossene Personen aufspüren.

Die meisten Roboter, unabhängig von ihrer Größe, werden in der Regel in einer Reihe komplexer Fertigungsschritte hergestellt, bei denen die Gliedmaßen, elektronischen und aktiven Komponenten integriert werden. Dieser Prozess führt zu einem höheren Gewicht, einem größeren Volumen und einer geringeren Kraftausbeute als bei Robotern, die mit dieser neuen Methode gebaut werden könnten.

Der Schlüssel zu der von der UCLA geleiteten All-in-One-Methode liegt in der Entwicklung und dem Druck von piezoelektrischen Metamaterialien – einer Klasse komplizierter Gittermaterialien, die als Reaktion auf ein elektrisches Feld ihre Form verändern und sich bewegen oder als Folge physikalischer Kräfte elektrische Ladung erzeugen können.

Die Verwendung aktiver Materialien, die Elektrizität in Bewegungen umsetzen können, ist nicht neu. Allerdings sind diesen Materialien in der Regel Grenzen gesetzt, was ihren Bewegungsumfang und ihre Reichweite angeht. Außerdem müssen sie mit getriebeähnlichen Übertragungssystemen verbunden werden, um die gewünschten Bewegungen zu erreichen.

Im Gegensatz dazu bestehen die von der UCLA entwickelten Robotermaterialien – jedes von ihnen hat die Größe eines Pennys – aus komplizierten piezoelektrischen und strukturellen Elementen, die sich bei hohen Geschwindigkeiten biegen, biegen, verdrehen, drehen, ausdehnen oder zusammenziehen können.

Das Team stellte auch eine Methode vor, um diese Robotermaterialien so zu gestalten, dass Benutzer ihre eigenen Modelle erstellen und die Materialien direkt in einen Roboter drucken können.

“Dies ermöglicht die präzise Anordnung von Betätigungselementen im gesamten Roboter für schnelle, komplexe und ausgedehnte Bewegungen auf verschiedenen Arten von Gelände”, so der Hauptautor der Studie, Huachen Cui, ein UCLA-Postdoktorand in Zhengs Labor für additive Fertigung und Metamaterialien.

“Dies ermöglicht eine präzise Anordnung der Betätigungselemente im gesamten Roboter für schnelle, komplexe und ausgedehnte Bewegungen auf verschiedenen Arten von Gelände”, sagte der Hauptautor der Studie, Huachen Cui. “Dank des bidirektionalen piezoelektrischen Effekts können die Robotermaterialien ihre Verformungen selbst erkennen, Hindernisse über Echos und Ultraschallemissionen aufspüren und über eine Rückkopplungsschleife, die bestimmt, wie sich die Roboter bewegen, wie schnell sie sich bewegen und in welche Richtung sie sich bewegen, auf externe Reize reagieren.”

Mithilfe dieser Technik hat das Team drei “Meta-Roboter” mit unterschiedlichen Fähigkeiten gebaut und vorgeführt. Ein Roboter kann um S-förmige Ecken und willkürlich platzierte Hindernisse navigieren, ein anderer kann bei einem Aufprall ausweichen, während der dritte Roboter über unwegsames Gelände laufen und sogar kleine Sprünge machen kann.

Andere UCLA-Autoren der Studie sind die Doktoranden Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu und Haotian Lu, der Postdoktorand Ariel Calderon und der Mitarbeiter für Entwicklungstechnik Zhen Wang. Weitere Autoren sind Sheyda Davaria, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Virginia Tech, Patrick Mercier, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der UC San Diego, und Pablo Tarazaga, Professor für Maschinenbau an der Texas A&M University.

Die Forschung wurde durch einen Young Faculty Award und einen Director’s Fellowship Award der U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) unterstützt, mit zusätzlicher Finanzierung durch das U.S. Office of Naval Research, das Air Force Office of Scientific Research und die National Science Foundation.

Der Fortschritt beruht auf 3D-Drucktechniken, die von Zheng und Hensleigh während ihrer Zeit als Forscher an der Virginia Tech entwickelt wurden, die auch das Patent hält. Die Forscher planen, über die UCLA Technology Development Group ein weiteres Patent für die neue, an der UCLA entwickelte Methodik anzumelden.

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