Forscher erschaffen Elektronik

UC San Diego

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Stellen Sie sich vor, 3D-Drucker könnten Roboter herstellen, die direkt aus dem Block heraus arbeiten können. Dieses Konzept wurde von einem Forscherteam der University of California San Diego und der BASF Corporation ermöglicht. Ihre Bemühungen haben zu einem Robotergreifer geführt, der im Handumdrehen gedruckt werden kann und für den Betrieb keine Elektronik benötigt.

Nach Angaben des Teams kann der Soft-Greifer direkt nach dem Herausnehmen aus dem 3D-Drucker verwendet werden und ist mit integrierten Schwerkraft- und Berührungssensoren ausgestattet, die es ihm ermöglichen, Objekte aufzunehmen, zu halten und freizugeben. „Es ist das erste Mal, dass ein solcher Greifer sowohl greifen als auch loslassen kann. Sie müssen lediglich den Greifer horizontal drehen. Dadurch kommt es zu einer Veränderung des Luftstroms in den Ventilen, wodurch sich die beiden Finger des Greifers lösen“, heißt es in einer Mitteilung der Universität.

Einzelheiten zu ihrer Forschung werden in der Fachzeitschrift Science Robotics veröffentlicht.

Die meisten 3D-gedruckten Softroboter sind steif; Sie weisen viele Lecks auf, wenn sie aus dem Drucker kommen. und sie erfordern nach dem Drucken einen hohen Verarbeitungs- und Montageaufwand, um verwendbar zu sein. Forscher konnten diese Probleme umgehen, indem sie eine neue 3D-Druckmethode entwickelten, bei der die Druckerdüse einen kontinuierlichen Pfad durch das gesamte Muster jeder gedruckten Schicht zeichnet. „Es ist, als würde man ein Bild zeichnen, ohne jemals den Bleistift von der Seite zu nehmen“, sagte Michael T. Tolley, der leitende Autor des Artikels und außerordentlicher Professor an der UC San Diego Jacobs School of Engineering, in der Erklärung.

Dieses Verfahren verringert die Möglichkeit von Undichtigkeiten und Fehlern im Druckobjekt, die beim Drucken mit weichen Materialien häufig auftreten. Der neue Ansatz ermöglicht auch den Druck dünner Wände bis zu einer Dicke von 0,5 Millimetern. Dünnere Wände und komplizierte, gekrümmte Geometrien ermöglichen eine stärkere Verformung, was zu einer weicheren Gesamtstruktur führt. „Die Forscher basierten die Methode auf dem Eulerschen Pfad, der in der Graphentheorie eine Spur in einem Graphen ist, die jede Kante dieses Graphen nur einmal und nur einmal berührt.“

Mit ihrer neuen Methode war das Team in der Lage, konsistent funktionale pneumatische Softroboter mit eingebetteten Steuerkreisen zu drucken.

Soft-Robotik bietet die Möglichkeit, dass Roboter auf sichere Weise mit Menschen und zerbrechlichen Dingen interagieren können. Nach Angaben des Teams könnte dieser Greifer an einem Roboterarm für die industrielle Fertigung, die Lebensmittelverarbeitung sowie den Umgang mit Obst und Gemüse angebracht werden. Es kann auch an einen Roboter angeschlossen und zum Lernen und Erkunden verwendet werden. Es kann auch ungebunden betrieben werden und benötigt lediglich eine Flasche Hochdruckgas als Energiequelle.

Dem Team zufolge erforderte der gesamte Herstellungsprozess des Greifers keine Nachbehandlung, Nachmontage oder Behebung von Herstellungsfehlern, wodurch diese Technik sehr reproduzierbar und zugänglich ist. „Unser vorgeschlagener Ansatz stellt einen Schritt hin zu komplexen, maßgeschneiderten Robotersystemen und Komponenten dar, die in verteilten Fertigungsanlagen hergestellt werden.“

Zusammenfassung studieren

Die meisten Soft-Roboter werden pneumatisch betätigt und durch Form- und Montageprozesse hergestellt, die typischerweise viele manuelle Vorgänge erfordern und die Komplexität begrenzen. Darüber hinaus müssen komplexe Steuerungskomponenten (z. B. elektronische Pumpen und Mikrocontroller) hinzugefügt werden, um auch einfache Funktionen zu erreichen. Der dreidimensionale Desktop-Fused-Filament-Fabrication-Druck (FFF) bietet eine zugängliche Alternative mit weniger manuellem Aufwand und der Möglichkeit, komplexere Strukturen zu erzeugen. Aufgrund von Material- und Prozessbeschränkungen weisen FFF-gedruckte Softroboter jedoch häufig eine hohe effektive Steifigkeit auf und weisen eine große Anzahl von Lecks auf, was ihre Anwendungen einschränkt. Wir präsentieren einen Ansatz für den Entwurf und die Herstellung weicher, luftdichter pneumatischer Robotergeräte unter Verwendung von FFF, um gleichzeitig Aktoren mit eingebetteten Fluidsteuerungskomponenten zu drucken. Wir haben diesen Ansatz demonstriert, indem wir Aktuatoren gedruckt haben, die um eine Größenordnung weicher sind als die zuvor mit FFF hergestellten Aktuatoren und sich zu einem vollständigen Kreis biegen lassen. Ebenso haben wir pneumatische Ventile gedruckt, die einen Hochdruck-Luftstrom mit niedrigem Steuerdruck steuern. Durch die Kombination von Aktuatoren und Ventilen haben wir einen monolithisch gedruckten autonomen Greifer ohne Elektronik demonstriert. Wenn der Greifer an eine konstante Luftdruckversorgung angeschlossen ist, erkennt und ergreift er selbstständig ein Objekt und gibt das Objekt frei, wenn er eine Kraft aufgrund des Gewichts des Objekts erkennt, die senkrecht zum Greifer wirkt. Der gesamte Herstellungsprozess des Greifers erforderte keine Nachbehandlung, Nachmontage oder Reparatur von Herstellungsfehlern, wodurch dieser Ansatz sehr gut wiederholbar und zugänglich ist. Unser vorgeschlagener Ansatz stellt einen Schritt hin zu komplexen, maßgeschneiderten Robotersystemen und -komponenten dar, die in verteilten Fertigungsanlagen hergestellt werden.