自動(dòng)化系統(tǒng)為新任務(wù)生成機(jī)器人部件

由麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和3D打印復(fù)雜的機(jī)器人部件，稱為執(zhí)行器，根據(jù)大量規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化。簡(jiǎn)而言之，該系統(tǒng)自動(dòng)完成人類幾乎不可能手工完成的事情。

在Science Advances上發(fā)表的一篇論文中，研究人員通過制造致動(dòng)器裝置來演示該系統(tǒng)，這些裝置機(jī)械地控制機(jī)器人系統(tǒng)以響應(yīng)電信號(hào) - 在不同角度顯示不同的黑白圖像。例如，一個(gè)執(zhí)行器在平放時(shí)描繪了Vincent van Gogh的肖像。然而，當(dāng)它被激活時(shí)傾斜一個(gè)角度，它描繪了著名的愛德華蒙克畫作“吶喊”。

執(zhí)行器由三種不同材料的拼湊而成，每種材料具有不同的淺色或深色以及諸如柔性和磁化的特性 - 其響應(yīng)于控制信號(hào)控制致動(dòng)器的角度。軟件首先將執(zhí)行器設(shè)計(jì)分解為數(shù)百萬個(gè)三維像素或“體素”，每個(gè)像素都可以填充任何材料。然后，它運(yùn)行數(shù)百萬次模擬，用不同的材料填充不同的體素。最終，它落在每個(gè)體素中每種材料的最佳位置，以在兩個(gè)不同的角度生成兩個(gè)不同的圖像。然后，定制的3-D打印機(jī)通過逐層將正確的材料放入正確的體素中來制造致動(dòng)器。

“我們的最終目標(biāo)是自動(dòng)為任何問題找到最佳設(shè)計(jì)，然后使用我們優(yōu)化設(shè)計(jì)的輸出來制作它，”第一作者Subramanian Sundaram博士說。'18，曾是計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的研究生。“我們選擇印刷材料，尋找最佳設(shè)計(jì)，以幾乎完全自動(dòng)化的方式制造最終產(chǎn)品。”

移動(dòng)圖像演示了系統(tǒng)可以做什么。但是針對(duì)外觀和功能進(jìn)行了優(yōu)化的執(zhí)行器也可以用于機(jī)器人技術(shù)中的仿生學(xué)。例如，其他研究人員正在設(shè)計(jì)具有致動(dòng)器陣列的水下機(jī)器人皮膚，旨在模仿鯊魚皮膚上的細(xì)菌。Denticles集體變形以減少阻力，從而更快，更安靜地游泳。“你可以想象水下機(jī)器人的整個(gè)陣列的執(zhí)行器涂在他們的皮膚表面，可以優(yōu)化拖動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，等等，”Sundaram說。

在紙上加入Sundaram是：Melina Skouras，前MIT博士后; David S. Kim，計(jì)算制造集團(tuán)前研究員; Louise van den Heuvel '14，SM '16; 和Wojciech Matusik，麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授，計(jì)算制造小組負(fù)責(zé)人。

導(dǎo)航“組合爆炸”

如今的機(jī)器人執(zhí)行器變得越來越復(fù)雜。根據(jù)應(yīng)用，它們必須針對(duì)重量，效率，外觀，靈活性，功耗以及各種其他功能和性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。通常，專家手動(dòng)計(jì)算所有這些參數(shù)以找到最佳設(shè)計(jì)。

除此之外，新的3D打印技術(shù)現(xiàn)在可以使用多種材料來創(chuàng)建一種產(chǎn)品。這意味著設(shè)計(jì)的維度變得非常高。“你剩下的就是所謂的'組合爆炸'，在這種情況下，你基本上擁有如此多的材料和性能組合，你沒有機(jī)會(huì)評(píng)估每種組合以創(chuàng)造最佳結(jié)構(gòu)，”Sundaram說。

在他們的工作中，研究人員首先定制了三種聚合物材料，這些材料具有構(gòu)建執(zhí)行器所需的特定屬性：顏色，磁化和剛性。最后，他們生產(chǎn)了一種近透明的剛性材料，一種用作鉸鏈的不透明柔性材料，以及一種響應(yīng)磁信號(hào)的棕色納米粒子材料。他們將所有特征數(shù)據(jù)插入屬性庫中。

該系統(tǒng)采用灰度圖像示例作為輸入，例如顯示梵高肖像的平面執(zhí)行器，但以精確的角度傾斜以顯示“吶喊”。它基本上執(zhí)行一種復(fù)雜形式的試驗(yàn)和錯(cuò)誤，有點(diǎn)像重新排列魔方，但在這種情況下，大約550萬個(gè)體素被迭代重新配置以匹配圖像并滿足測(cè)量角度。

最初，系統(tǒng)從屬性庫中繪制以隨機(jī)地將不同的材質(zhì)分配給不同的體素。然后，它運(yùn)行一個(gè)模擬，以查看該排列是否直接和以一定角度描繪兩個(gè)目標(biāo)圖像。如果不是，則會(huì)收到錯(cuò)誤信號(hào)。該信號(hào)讓它知道哪些體素在標(biāo)記上，哪些體素應(yīng)該被改變。例如，在施加磁場(chǎng)時(shí)，在棕色磁性體素周圍添加，移除和移動(dòng)將改變致動(dòng)器的角度。但是，系統(tǒng)還必須考慮如何對(duì)齊那些棕色體素會(huì)影響圖像。

體素的體素

為了計(jì)算每次迭代時(shí)執(zhí)行器的外觀，研究人員采用了一種稱為“射線追蹤”的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，該技術(shù)模擬光與物體相互作用的路徑。模擬光束穿過每列體素處的致動(dòng)器?？梢杂贸^100個(gè)體素層制造致動(dòng)器。色譜柱可以包含超過100個(gè)體素，不同的材料序列在平坦或成一定角度時(shí)會(huì)發(fā)出不同的灰色陰影。

例如，當(dāng)致動(dòng)器是平的時(shí)，光束可以照射在包含許多棕色體素的柱上，產(chǎn)生暗色調(diào)。但是當(dāng)執(zhí)行器傾斜時(shí)，光束將照射在未對(duì)準(zhǔn)的體素上。布朗體素可能會(huì)偏離光束，而更清晰的體素可能會(huì)移動(dòng)到光束中，從而產(chǎn)生更輕的色調(diào)。該系統(tǒng)使用該技術(shù)來對(duì)準(zhǔn)需要處于平坦和成角度圖像中的深色和淺色體素列。經(jīng)過1億次或更多次迭代，以及幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)之后，系統(tǒng)將找到適合目標(biāo)圖像的排列。

“我們正在比較[體素柱]在平坦或標(biāo)題時(shí)的樣子，以匹配目標(biāo)圖像，”Sundaram說。“如果沒有，你可以換一個(gè)明確的體素與棕色體素。如果這是一個(gè)改進(jìn)，我們保留這個(gè)新的建議，并一遍又一遍地做出其他改變。”

為了制造執(zhí)行器，研究人員構(gòu)建了一種定制的3D打印機(jī)，該打印機(jī)采用了一種稱為“按需噴射”的技術(shù)。這三種材料的浴缸連接到具有數(shù)百個(gè)噴嘴的打印頭，這些噴嘴可以單獨(dú)控制。打印機(jī)將30微米大小的指定材料液滴噴射到其各自的體素位置。一旦液滴落在基板上，它就會(huì)固化。通過這種方式，打印機(jī)逐層構(gòu)建對(duì)象。

Sundaram說，這項(xiàng)工作可以作為設(shè)計(jì)大型結(jié)構(gòu)的墊腳石，例如飛機(jī)機(jī)翼。例如，研究人員同樣開始將飛機(jī)機(jī)翼分解成更小的體素塊，以優(yōu)化其重量和升力設(shè)計(jì)以及其他指標(biāo)。“我們還無法在那個(gè)尺度上打印機(jī)翼或任何東西，或使用這些材料。但我認(rèn)為這是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步，”Sundaram說。