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首款由固体和液体制成的3D打印机器人

人工智能 2019-09-16 13:31:02

我们还没有机器人助理嗡嗡地做我们的家务活动的一个原因是因为制作它们很难。手动组装机器人非常耗时,而自动化 - 构建其他机器人的机器人 - 尚未进行微调,无法制造能够执行复杂任务的机器人。

但如果人类和机器人无法做到这一点,那么3D打印机呢?

在一篇新论文中,麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究人员展示了第一种3D打印机器人技术,该技术涉及同时打印固体和液体材料。

新方法允许团队使用市售的3-D打印机,一步完成自动3D打印动态机器人,无需组装。

“我们的方法,我们称之为'可打印的液压系统',是朝着快速制造功能性机器迈出的一步,”CSAIL总监Daniela Rus说道,他负责监督该项目并共同编写了该论文。“你所要做的就是坚持使用电池和电机,而你的机器人几乎可以直接走出打印机。”

为了展示这一概念,研究人员3-D打印了一个小型六足机器人,可通过嵌入其体内的12个液压泵进行爬行。它们还可以在现有平台上使用3D打印机器人部件,例如用于Baxter研究机器人的软橡胶手。

该论文最近被接纳为今年夏天的IEEE国际机器人与自动化大会(ICRA),由麻省理工学院博士后Robert MacCurdy和博士候选人Robert Katzschmann以及哈佛大学本科生Youbin Kim共同撰写。

对于3D打印的所有进步,液体仍然是一个很大的障碍。印刷液体是一个混乱的过程,这意味着大多数方法需要额外的后印刷步骤,例如将其熔化或让人手动刮擦它。该步骤使得基于液体的方法难以用于工厂规模的制造。

通过“可印刷液压装置”,喷墨打印机可以沉积直径为20至30微米或小于人类头发宽度一半的单个材料液滴。打印机从下向上逐层进行。对于每一层,打印机在不同的部分沉积不同的材料,然后使用高强度的紫外线固化所有材料(当然,减去液体)。打印机使用多种材料,但在更基本的层面上,每层由“光聚合物”(一种固体)和“非固化材料”(液体)组成。

“喷墨打印让我们有八个不同的打印头可以同时存放不同的材料,”MacCurdy说。“它为我们提供了非常精细的材料放置控制,这使我们能够打印出复杂的预填充流体通道。”

3D打印液体的另一个挑战是它们经常干扰应该固化的液滴。为了解决这个问题,该团队打印了数十种具有不同方向的测试几何图形,以确定将固体和液体一起打印的正确分辨率。

虽然这是一个艰苦的过程,但MacCurdy表示,使用其他3D打印方法(如熔融沉积成型和激光烧结)更难以打印液体和固体。

“就我而言,”他说,“喷墨打印是目前打印多种材料的最佳方式。”

为了展示他们的方法,研究人员3-D打印了一个重量约1.5磅且长度小于6英寸的小型六足机器人。为了移动,单个直流电机旋转曲轴,将流体泵送到机器人的腿部。除了电机和电源外,每个组件都可以一步打印,无需组装。

在机器人的关键部件中有几组“波纹管”,它们直接在其身体上进行3D打印。为了推进机器人,波纹管使用流体压力,然后将其转换为机械力。(作为波纹管的替代品,该团队还证明他们可以3D打印一个可以产生连续流体流动的齿轮泵。)

最后,3-D团队用流体驱动的手指印刷了硅橡胶机器人手。这款“软抓手”是为Baxter开发的,这是一款由前CSAIL导演罗德尼布鲁克斯设计的机器人,是他的衍生公司Rethink Robotics的一部分。

“CSAIL团队不仅通过印刷不同的聚合物或金属混合物,而且基本上是一个独立的工作液压系统,将多材料印刷提升到了一个新的水平,” 哥伦比亚大学工程学教授Hod Lipson说。大学和“制造:三维打印的新世界”的合着者。“这是迈向下一个3D打印大阶段的重要一步 - 从打印无源部件转向打印有源集成系统。”

与任何多材料3-D喷墨打印机兼容,“可打印液压”允许可定制的设计模板,可以创建不同尺寸,形状和功能的机器人。

“如果你有一个爬行机器人,你想要跨越更大的东西,你可以在几分钟内调整设计,”MacCurdy说。“将来,该系统根本不需要任何人为输入; 你可以按几个按钮,它会自动进行更改。“

MacCurdy设想了许多潜在的应用,包括在危险环境中的救灾。例如,许多核场址需要进行补救以降低其辐射水平。不幸的是,这些网站不仅对人类是致命的,而且对放射性足以摧毁传统电子产品。

“像这样的可印刷机器人可以快速,廉价地制造,比传统机器人更少的电子元件,”MacCurdy说。

该团队渴望进一步发展他们的工作。虽然六足机器人的22小时打印时间因其复杂性而相对较短,但研究人员表示,未来的硬件改进将提高速度。

“加速这一过程不仅取决于我们技术的细节,而更多地取决于打印机本身的工程和分辨率,”麻省理工学院电子工程和计算机科学的维特比教授Rus说。“打印最终需要与打印机一样长,因此随着打印机的改进,制造能力也会提高。”

这不是罗斯集团首次涉足3D打印机器人。在过去的秋天,她的团队开发了一个类似的抓手,而在2014年,他们创造了一个可以穿过管道并抓住物体的手臂。但是,在这些项目仍然需要多个非3D打印物体的情况下,“可打印液压系统”更接近于一步打印所有组件。

罗斯说:“建造机器人不一定像过去一样耗费时间和人力。” “3D打印提供了前进的方向,使我们能够自动生产复杂,功能性,液压驱动的机器人,可以立即使用。”

该团队的工作部分由国家科学基金会资助。

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