Automatiseret system genererer robotdele til nye opgaver

Et automatiseret system udviklet af MIT-forskere designer og 3-D-printer komplekse robotdele kaldet aktuatorer, der er optimeret i henhold til et enormt antal specifikationer. Kort sagt, systemet gør automatisk, hvad der er praktisk talt umuligt for mennesker at gøre i hånden.

I et blad udgivet i Videnskabens fremskridt , forskerne demonstrerer systemet ved at fremstille aktuatorer - enheder, der mekanisk styrer robotsystemer som reaktion på elektriske signaler - der viser forskellige sort-hvide billeder i forskellige vinkler. En aktuator, for eksempel, portrætterer et Vincent van Gogh-portræt, når det er lagt fladt. Vippede en vinkel, når den er aktiveret, imidlertid, det portrætterer det berømte Edvard Munch-maleri "Skriget".

Aktuatorerne er lavet af et patchwork af tre forskellige materialer, hver med en forskellig lys eller mørk farve og en egenskab – såsom fleksibilitet og magnetisering – der styrer aktuatorens vinkel som svar på et styresignal. Software nedbryder først aktuatordesignet i millioner af tredimensionelle pixels, eller "voxels, ", der hver især kan fyldes med et hvilket som helst af materialerne. Derefter, den kører millioner af simuleringer, fylde forskellige voxels med forskellige materialer. Til sidst, det lander på den optimale placering af hvert materiale i hver voxel for at generere to forskellige billeder i to forskellige vinkler. En brugerdefineret 3-D printer fremstiller derefter aktuatoren ved at slippe det rigtige materiale ned i den rigtige voxel, lag for lag.

"Vores ultimative mål er automatisk at finde et optimalt design til ethvert problem, og derefter bruge outputtet fra vores optimerede design til at fremstille det, " siger førsteforfatter Subramanian Sundaram Ph.D. '18, en tidligere kandidatstuderende i Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). "Vi går fra at udvælge trykmaterialer, at finde det optimale design, at fremstille det endelige produkt på næsten en fuldstændig automatiseret måde."

De skiftende billeder demonstrerer, hvad systemet kan. Men aktuatorer optimeret til udseende og funktion kunne også bruges til biomimik i robotteknologi. For eksempel, andre forskere designer undervandsrobotskind med aktuator-arrays beregnet til at efterligne dentikler på hajhud. Dentikler deformeres kollektivt for at mindske modstanden for hurtigere, roligere svømning. "Du kan forestille dig undervandsrobotter, der har hele rækker af aktuatorer, der dækker overfladen af ​​deres skind, som kan optimeres til effektivt at trække og dreje, og så videre, " siger Sundaram.

Sammen med Sundaram på papiret er:Melina Skouras, en tidligere MIT postdoc; David S. Kim, en tidligere forsker i Computational Fabrication Group; Louise van den Heuvel '14, SM '16; og Wojciech Matusik, en MIT-lektor i elektroteknik og datalogi og leder af Computational Fabrication Group.

Navigerer den "kombinatoriske eksplosion"

Robotaktuatorer bliver i dag mere og mere komplekse. Afhængigt af applikationen, de skal være optimeret til vægt, effektivitet, udseende, fleksibilitet, strømforbrug, og forskellige andre funktioner og ydeevnemålinger. Generelt, eksperter beregner manuelt alle disse parametre for at finde et optimalt design.

For at tilføje den kompleksitet, nye 3-D-printteknikker kan nu bruge flere materialer til at skabe ét produkt. Det betyder, at designets dimensionalitet bliver utrolig høj. "Det, du står tilbage med, er det, der kaldes en 'kombinatorisk eksplosion, ' hvor du i det væsentlige har så mange kombinationer af materialer og egenskaber, at du ikke har en chance for at evaluere hver kombination for at skabe en optimal struktur, " siger Sundaram.

I deres arbejde, forskerne tilpassede først tre polymermaterialer med specifikke egenskaber, de havde brug for til at bygge deres aktuatorer:farve, magnetisering, og stivhed. Til sidst, de producerede et næsten gennemsigtigt stift materiale, et uigennemsigtigt fleksibelt materiale, der bruges som hængsel, og et brunt nanopartikelmateriale, der reagerer på et magnetisk signal. De tilsluttede alle de karakteriseringsdata til et ejendomsbibliotek.

Systemet tager som input gråtonebilledeeksempler - såsom den flade aktuator, der viser Van Gogh-portrættet, men vipper i en nøjagtig vinkel for at vise "Skriget". Det udfører dybest set en kompleks form for trial and error, der er lidt som at omarrangere en Rubik's Cube, men i dette tilfælde bliver omkring 5,5 millioner voxels iterativt omkonfigureret til at matche et billede og møde en målt vinkel.

I første omgang, systemet trækker fra ejendomsbiblioteket for tilfældigt at tildele forskellige materialer til forskellige voxels. Derefter, den kører en simulering for at se, om det arrangement viser de to målbilleder, lige på og i en vinkel. Hvis ikke, den får et fejlsignal. Det signal lader den vide, hvilke voxels der er på mærket, og hvilke der skal ændres. Tilføjer, fjernelse, og skifter rundt om brune magnetiske voxels, for eksempel, vil ændre aktuatorens vinkel, når der påføres et magnetisk felt. Men, systemet skal også overveje, hvordan justering af de brune voxels vil påvirke billedet.

Voxel for voxel

For at beregne aktuatorens udseende ved hver iteration, forskerne brugte en computergrafikteknik kaldet "ray-tracing, " som simulerer lysets bane, der interagerer med objekter. Simulerede lysstråler skyder gennem aktuatoren ved hver søjle af voxels. Aktuatorer kan fremstilles med mere end 100 voxellag. Kolonner kan indeholde mere end 100 voxels, med forskellige sekvenser af materialerne, der udstråler en anden grå nuance, når de er flade eller i en vinkel.

Når aktuatoren er flad, for eksempel, lysstrålen kan skinne ned på en søjle, der indeholder mange brune voxels, producerer en mørk tone. Men når aktuatoren vipper, strålen vil lyse på forkert justerede voxels. Brune voxels kan flytte sig væk fra strålen, mens mere klare voxels kan skifte ind i strålen, frembringer en lysere tone. Systemet bruger den teknik til at justere mørke og lyse voxelsøjler, hvor de skal være i det flade og vinklede billede. Efter 100 millioner eller flere gentagelser, og alt fra nogle få til snesevis af timer, systemet vil finde et arrangement, der passer til målbillederne.

"Vi sammenligner, hvordan den [voxel-kolonne] ser ud, når den er flad, eller når den har titlen, for at matche målbillederne, " siger Sundaram. "Hvis ikke, du kan bytte, sige, en klar voxel med en brun. Hvis det er en forbedring, vi beholder dette nye forslag og foretager andre ændringer igen og igen."

For at fremstille aktuatorerne, forskerne byggede en tilpasset 3-D-printer, der bruger en teknik kaldet "drop-on-demand". Bøtter af de tre materialer er forbundet til printhoveder med hundredvis af dyser, der kan styres individuelt. Printeren affyrer en dråbe på 30 mikron af det angivne materiale ind i dens respektive voxel-placering. Når dråben lander på underlaget, det er størknet. På den måde, printeren bygger et objekt, lag for lag.

Værket kunne bruges som et springbræt til at designe større strukturer, såsom flyvinger, Sundaram siger. Forskere, for eksempel, er på samme måde begyndt at nedbryde flyvinger i mindre voxel-lignende blokke for at optimere deres design til vægt og løft, og andre målinger. "Vi er endnu ikke i stand til at udskrive vinger eller noget i den skala, eller med disse materialer. Men jeg tror, ​​det er et første skridt mod det mål, " siger Sundaram.