Разработанная инженерами из Калифорнийского университета стратегия проектирования и технология 3D-печати позволяет создавать одновременно все электронные и механические компоненты, которые нужны для работы небольших роботов, способных передвигаться, маневрировать, прыгать, обнаруживать препятствия и принимать решения. А единственным необходимым «внешним» элементом таких роботов является батарея, которая обеспечивает питание, необходимое для их эксплуатации.
Исследование, в котором изложены подробности новой технологии, а также описан процесс создания роботов, вышло в журнале Science.
Напечатанный на 3D-принтере «метабот», разработанный инженерами Калифорнийского университета, способен передвигаться, маневрировать и даже принимать решения. Он изготавливается за один проход с помощью нового типа 3D-печати из метаматериалов. Изображение: Rayne Research Group/UCLAРазгадка нового универсального метода кроется в печати из пьезоэлектрических метаматериалов, которые предназначены для изгиба, скручивания, вращения, расширения или сжатия при высоких температурах. Метаматериалы – это класс материалов со сложной решеткой, состоящих из нескольких компонентов и обладающих такими свойствами, которые невозможно встретить в природе и они сложно достижимы в технологическом смысле. Инженеры достигают таких свойств у материалов, изменяя природный состав элементов при помощи искусственных структур. Обычно эти материалы могут менять форму и передвигаться, реагируя на прикладываемое электрическое поле или физическое воздействие. Как правило, у метаматериалов есть ряд ограничений по расстояниям на которые они могут перемещаться, или по диапазону движений.
Однако эти материалы обычно имеют ограничения по диапазону движения и расстоянию перемещения. В данном же случае печатные метаматериалы имеют внутреннюю сеть сенсорных, подвижных и структурных элементов, предназначенных для сжатия, расширения, вращения, изгиба, скручивания на высоких скоростях - они способны передвигаться самостоятельно, следуя заданным программам. Благодаря двунаправленному пьезоэлектрическому эффекту эти материалы также могут обнаруживать препятствия с помощью ультразвука и реагировать на внешние раздражители через контур управления с обратной связью, которая определяет, как, с какой скоростью они перемещаются и какова их цель.
Наспечатанная на 3D-принтере решетка из пьезоэлектрических метаматериалов, которые составляют основу «метабота». Изображение: Rayne Research Group/UCLAТаким образом, когда внутренняя сеть движения и датчиков уже установлена в материалы для робота по умолчанию, то нужен только один внешний компонент - батарея для питания этого механизма. Ученые также смогли интегрировать в роботов бортовой аккумулятор и контроллер, чтобы они были полностью автономными.
Строение "метаботов" размером буквально с ноготь подобно биологической системе с нервами, костями и сухожилиями, работающими синхронно, чтобы роботы были способны на сложные движения, восприятие окружающей обстановки и были наделены программируемыми способностями к принятию решений.
С помощью этой технологии команда ученых построила трех «метаботов» с разными возможностями. Один мог передвигаться по S-образной траектории и избегать случайно размещенных препятствий. Второй робот "убегал" в ответ на прикосновение, а третий - перемещался по пересеченной местности и прыгал на небольшую высоту.
Создатели роботов уверены, что новая технология послужит основой для разработки биомедицинских роботов наподобие самоуправляемых эндоскопов или механизмов для доставки лекарственных препаратов в определенные участки человеческого тела. Также новые «метаботы» можно будет применять для спасательных операций: рой таких роботов сможет хорошо ориентироваться в разрушенном здании и быстро добираться до завалов, обнаруживая там людей.