首款由固體和液體制成的3D打印機(jī)器人

我們還沒(méi)有機(jī)器人助理嗡嗡地做我們的家務(wù)活動(dòng)的一個(gè)原因是因?yàn)橹谱魉鼈兒茈y。手動(dòng)組裝機(jī)器人非常耗時(shí)，而自動(dòng)化 - 構(gòu)建其他機(jī)器人的機(jī)器人 - 尚未進(jìn)行微調(diào)，無(wú)法制造能夠執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人。

但如果人類(lèi)和機(jī)器人無(wú)法做到這一點(diǎn)，那么3D打印機(jī)呢?

在一篇新論文中，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的研究人員展示了第一種3D打印機(jī)器人技術(shù)，該技術(shù)涉及同時(shí)打印固體和液體材料。

新方法允許團(tuán)隊(duì)使用市售的3-D打印機(jī)，一步完成自動(dòng)3D打印動(dòng)態(tài)機(jī)器人，無(wú)需組裝。

“我們的方法，我們稱(chēng)之為'可打印的液壓系統(tǒng)'，是朝著快速制造功能性機(jī)器邁出的一步，”CSAIL總監(jiān)Daniela Rus說(shuō)道，他負(fù)責(zé)監(jiān)督該項(xiàng)目并共同編寫(xiě)了該論文。“你所要做的就是堅(jiān)持使用電池和電機(jī)，而你的機(jī)器人幾乎可以直接走出打印機(jī)。”

為了展示這一概念，研究人員3-D打印了一個(gè)小型六足機(jī)器人，可通過(guò)嵌入其體內(nèi)的12個(gè)液壓泵進(jìn)行爬行。它們還可以在現(xiàn)有平臺(tái)上使用3D打印機(jī)器人部件，例如用于Baxter研究機(jī)器人的軟橡膠手。

該論文最近被接納為今年夏天的IEEE國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)(ICRA)，由麻省理工學(xué)院博士后Robert MacCurdy和博士候選人Robert Katzschmann以及哈佛大學(xué)本科生Youbin Kim共同撰寫(xiě)。

對(duì)于3D打印的所有進(jìn)步，液體仍然是一個(gè)很大的障礙。印刷液體是一個(gè)混亂的過(guò)程，這意味著大多數(shù)方法需要額外的后印刷步驟，例如將其熔化或讓人手動(dòng)刮擦它。該步驟使得基于液體的方法難以用于工廠規(guī)模的制造。

通過(guò)“可印刷液壓裝置”，噴墨打印機(jī)可以沉積直徑為20至30微米或小于人類(lèi)頭發(fā)寬度一半的單個(gè)材料液滴。打印機(jī)從下向上逐層進(jìn)行。對(duì)于每一層，打印機(jī)在不同的部分沉積不同的材料，然后使用高強(qiáng)度的紫外線固化所有材料(當(dāng)然，減去液體)。打印機(jī)使用多種材料，但在更基本的層面上，每層由“光聚合物”(一種固體)和“非固化材料”(液體)組成。

“噴墨打印讓我們有八個(gè)不同的打印頭可以同時(shí)存放不同的材料，”MacCurdy說(shuō)。“它為我們提供了非常精細(xì)的材料放置控制，這使我們能夠打印出復(fù)雜的預(yù)填充流體通道。”

3D打印液體的另一個(gè)挑戰(zhàn)是它們經(jīng)常干擾應(yīng)該固化的液滴。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)打印了數(shù)十種具有不同方向的測(cè)試幾何圖形，以確定將固體和液體一起打印的正確分辨率。

雖然這是一個(gè)艱苦的過(guò)程，但MacCurdy表示，使用其他3D打印方法(如熔融沉積成型和激光燒結(jié))更難以打印液體和固體。

“就我而言，”他說(shuō)，“噴墨打印是目前打印多種材料的最佳方式。”

為了展示他們的方法，研究人員3-D打印了一個(gè)重量約1.5磅且長(zhǎng)度小于6英寸的小型六足機(jī)器人。為了移動(dòng)，單個(gè)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)曲軸，將流體泵送到機(jī)器人的腿部。除了電機(jī)和電源外，每個(gè)組件都可以一步打印，無(wú)需組裝。

在機(jī)器人的關(guān)鍵部件中有幾組“波紋管”，它們直接在其身體上進(jìn)行3D打印。為了推進(jìn)機(jī)器人，波紋管使用流體壓力，然后將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械力。(作為波紋管的替代品，該團(tuán)隊(duì)還證明他們可以3D打印一個(gè)可以產(chǎn)生連續(xù)流體流動(dòng)的齒輪泵。)

最后，3-D團(tuán)隊(duì)用流體驅(qū)動(dòng)的手指印刷了硅橡膠機(jī)器人手。這款“軟抓手”是為Baxter開(kāi)發(fā)的，這是一款由前CSAIL導(dǎo)演羅德尼布魯克斯設(shè)計(jì)的機(jī)器人，是他的衍生公司Rethink Robotics的一部分。

“CSAIL團(tuán)隊(duì)不僅通過(guò)印刷不同的聚合物或金屬混合物，而且基本上是一個(gè)獨(dú)立的工作液壓系統(tǒng)，將多材料印刷提升到了一個(gè)新的水平，” 哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)教授Hod Lipson說(shuō)。大學(xué)和“制造：三維打印的新世界”的合著者。“這是邁向下一個(gè)3D打印大階段的重要一步 - 從打印無(wú)源部件轉(zhuǎn)向打印有源集成系統(tǒng)。”

與任何多材料3-D噴墨打印機(jī)兼容，“可打印液壓”允許可定制的設(shè)計(jì)模板，可以創(chuàng)建不同尺寸，形狀和功能的機(jī)器人。

“如果你有一個(gè)爬行機(jī)器人，你想要跨越更大的東西，你可以在幾分鐘內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)，”MacCurdy說(shuō)。“將來(lái)，該系統(tǒng)根本不需要任何人為輸入; 你可以按幾個(gè)按鈕，它會(huì)自動(dòng)進(jìn)行更改。“

MacCurdy設(shè)想了許多潛在的應(yīng)用，包括在危險(xiǎn)環(huán)境中的救災(zāi)。例如，許多核場(chǎng)址需要進(jìn)行補(bǔ)救以降低其輻射水平。不幸的是，這些網(wǎng)站不僅對(duì)人類(lèi)是致命的，而且對(duì)放射性足以摧毀傳統(tǒng)電子產(chǎn)品。

“像這樣的可印刷機(jī)器人可以快速，廉價(jià)地制造，比傳統(tǒng)機(jī)器人更少的電子元件，”MacCurdy說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)渴望進(jìn)一步發(fā)展他們的工作。雖然六足機(jī)器人的22小時(shí)打印時(shí)間因其復(fù)雜性而相對(duì)較短，但研究人員表示，未來(lái)的硬件改進(jìn)將提高速度。

“加速這一過(guò)程不僅取決于我們技術(shù)的細(xì)節(jié)，而更多地取決于打印機(jī)本身的工程和分辨率，”麻省理工學(xué)院電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的維特比教授Rus說(shuō)。“打印最終需要與打印機(jī)一樣長(zhǎng)，因此隨著打印機(jī)的改進(jìn)，制造能力也會(huì)提高。”

這不是羅斯集團(tuán)首次涉足3D打印機(jī)器人。在過(guò)去的秋天，她的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)類(lèi)似的抓手，而在2014年，他們創(chuàng)造了一個(gè)可以穿過(guò)管道并抓住物體的手臂。但是，在這些項(xiàng)目仍然需要多個(gè)非3D打印物體的情況下，“可打印液壓系統(tǒng)”更接近于一步打印所有組件。

羅斯說(shuō)：“建造機(jī)器人不一定像過(guò)去一樣耗費(fèi)時(shí)間和人力。” “3D打印提供了前進(jìn)的方向，使我們能夠自動(dòng)生產(chǎn)復(fù)雜，功能性，液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，可以立即使用。”

該團(tuán)隊(duì)的工作部分由科學(xué)基金會(huì)資助。