无脊椎动物激发了第一个完全3d打印的机器人活性材料

2020-08-17 153无脊椎动物

无脊椎动物激发了第一个完全3d打印的机器人活性材料。为了克服当前机器人系统中材料的刚性和致动限制,美国陆军研究实验室和明尼苏达大学的联合研究项目寻求无脊椎动物的启发。

研究背景

美国陆军使用结构坚固的机器人,因此在高度拥挤和竞争激烈的城市环境中进行军事行动时,这些机器人是不切实际的。在这种环境中,秘密机动对获得军事优势至关重要。

ARL研究人员Ed Habtour博士说:“成功的隐身操纵需要高度的结构灵活性和分布控制,才能潜入狭窄或受限的空间,长时间运行并模仿生物学形态和适应性。”

根据哈布图尔(Habtour)的说法,当前的军用机器人有两个主要局限性,使其无法模仿生物体的运动。

首先,这些机器人缺乏必要的动态灵活性,因为它们大多与刚性机械和电子组件组装在一起。

其次,刚性机器人需要复杂的机构和电路来实现主动致动和复杂的运动模式。

为了克服这些限制,ARL和UMN的联合研究项目寻求无脊椎动物的启发。

无脊椎动物激发了第一个完全3d打印的机器人活性材料

这项研究工作导致使用具有显着可调参数(例如结构柔韧性,形态和动态致动)的活性材料创建了软致动器原型。

该原型机是第一个可以进行高弯曲运动的全3D打印介电弹性体执行器或DEA。

3-D打印的DEA表现出明显更大的变形,是科学文献中其他最近实例的三倍。

这些结果发表在《极端力学快报》(EML)的论文中,标题为:“ 3-D打印的电动软致动器”,2018年。

研究内容

无脊椎动物激发了第一个完全3d打印的机器人活性材料,迈克尔教授说:“在该项目的初始阶段,我们的团队首先研究了模拟无脊椎动物运动的新方法,这为深入了解其软分布驱动电路的机械原理提供了基础,这些电路允许无骨骼支撑的高弯曲运动。” UMN的McAlpine。

了解自然界中观察到的分布式致动的内在机制有助于团队确定可操纵以完成新颖功能的重要参数,例如实现高度灵活的运动模式。

根据McAlpine的说法,为了获得对这些参数重要性的科学见解,有必要首先通过定制的三维打印平台制造和测试一个与自然界中发现的执行器相似的原型,建立统一的数学模型,研究各参数的灵敏度,预测各种最优驱动机构。

UMN 3-D印刷分布式驱动电路,涉及柔软、可拉伸的材料,其机械性能类似于头足类动物和蠕虫等生物有机体。

ARL使用能量公式化方法建立了一个通用模型,这是识别软生物致动器实现高弯曲运动的两个重要机制的关键:(i)通过利用材料和动态非线性之间的相互作用来调节物理特性(机械和几何特性),以增强运动;以及(ii)通过分布驱动电路强调电场与非线性结构刚度之间的机电耦合。

研究意义

哈布图尔说:“研究结果代表了向士兵提供一个自主自由制造平台的重要踏脚石——下一代3D打印机,可以打印功能性材料和设备——在需要时、在飞行中和需要时生成软致动器和潜在的无栓系软机器人。”

哈布图尔指出,这项研究还表明,软致动器可以成为战场上自主增材制造的主要候选对象。

“与目前的3-D打印DEA不同,这种新的制作方法不需要后处理步骤,例如组装、干燥或退火,”主要作者Ghazaleh Haghiashtiani说使用新的三维打印方法,Solider可以利用软DEA在基础材料层面的独特驱动特性,具有微尺度分辨率和复杂性,并且具有最少的专业知识。”

至于下一步,哈布图尔说,其目的是开发实验和理论原理,指导生物有机体中观察到的时变系统内部界面和相互作用动力学之间的相互作用,以确保生物有机体的灵活运动和弹性。

哈布图尔说:“这些材料的微观力学性质和各种非线性之间的有趣相互作用可能为模拟生物系统中的共生相互作用提供了新的科学机会。”如果我们能够理解这些相互作用,那么我们就可以利用这些见解来制造动态结构和柔性机器人,这些机器人被设计成能够自我感知、自我感知并能够实时调整其形态和特性以适应各种外部和内部条件。”

哈布图尔指出,这项研究的意义在于发现并仿真活结构的新兴动力学,自主制造功能复杂的结构和装置,以及开发传统机器人和机械系统无法实现的新驱动模式。

引用

U.S. Army Research Laboratory. "Invertebrates inspire first fully 3-D printed active materials for robots." ScienceDaily. ScienceDaily, 17 April 2018. www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180417090014.htm.

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