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.
Se publicó en Ciencias.
El avance permitió que todos los sistemas mecánicos y electrónicos necesarios para operar un robot se fabricaran todos a la vez mediante 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 «meta-bot» 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 instalada, el único componente externo necesario es una pequeña batería para alimentar el robot.
«Prevemos que esta metodología de diseño e impresión de materiales robóticos inteligentes ayudará a crear una clase de materiales autónomos que podrían reemplazar el complejo proceso de ensamblaje actual para fabricar 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 Escuela de Ingeniería UCLA Samueli. «Con movimientos complejos, múltiples modos de detección y capacidades de toma de decisiones programables, todo estrechamente integrado, es similar a un sistema biológico con nervios, huesos y tendones trabajando en conjunto para ejecutar movimientos controlados».
El equipo demostró la integración con una batería y un controlador integrados para el funcionamiento totalmente autónomo de los robots impresos en 3D, cada uno del tamaño de una uña. Según Zheng, quien también es miembro del Instituto de Nanosistemas de California en UCLA, la metodología podría conducir a nuevos diseños para robots biomédicos, como endoscopios autodirigidos o diminutos robots nadadores, que pueden emitir ultrasonidos y navegar cerca de los vasos sanguíneos para entregar dosis de medicamentos en sitios específicos dentro del cuerpo.
Estos «meta-bots» también pueden explorar entornos peligrosos. En un edificio derrumbado, por ejemplo, un enjambre de pequeños robots armados con sensores integrados podría acceder rápidamente a espacios confinados, evaluar los niveles de amenaza y ayudar en los esfuerzos de rescate al encontrar personas atrapadas entre los escombros.
La mayoría de los robots, sin importar su tamaño, generalmente se construyen en una serie de pasos de fabricación complejos que integran las extremidades, los componentes electrónicos y activos. El proceso da como resultado pesos más pesados, volúmenes más voluminosos y una producción de fuerza reducida en comparación con los robots que podrían construirse con este nuevo método.
La clave del método todo en uno liderado por la UCLA es el diseño y la impresión de metamateriales piezoeléctricos, una clase de materiales reticulares intrincados 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 en movimientos no es nuevo. Sin embargo, estos materiales generalmente tienen límites en su rango de movimiento y distancia de viaje. También deben conectarse a sistemas de transmisión similares a cajas 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 elementos piezoeléctricos y estructurales intrincados que están diseñados para doblarse, flexionarse, girar, rotar, expandirse 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 con precisión en todo el robot para movimientos rápidos, complejos y extendidos en varios tipos de terreno», dijo el autor principal del estudio, Huachen Cui, becario postdoctoral de la UCLA en el Laboratorio de Metamateriales y Fabricación Aditiva de Zheng. «Con el efecto piezoeléctrico bidireccional, los materiales robóticos también pueden detectar sus contorsiones, detectar obstáculos a través de ecos y emisiones de ultrasonido, así como responder a estímulos externos a través de un circuito 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 alrededor de esquinas en forma de S y obstáculos colocados al azar, otro puede escapar en respuesta a un impacto de contacto, mientras que el tercer robot puede caminar sobre terreno accidentado e incluso dar pequeños saltos.
Otros autores del estudio de UCLA son los estudiantes graduados Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu y Haotian Lu; el becario postdoctoral Ariel Calderón; asociado de ingeniería de 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 Texas A&M.
La investigación fue apoyada por un Premio de Facultad Joven y un Premio de Beca del Director de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA), con fondos adicionales de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias.
El avance incorpora técnicas de impresión 3D desarrolladas previamente por Zheng y Hensleigh cuando ambos eran investigadores en Virginia Tech, que posee la patente. Los investigadores planean presentar una patente adicional a través del Grupo de Desarrollo de Tecnología de UCLA para la nueva metodología desarrollada en UCLA.
