MIT研发新型3D打印材料,可用于制造更耐用的机器人

任何看过无人机视频,或者「BattleBots」中任意一集的人都知道,机器人会损坏,原因往往是它们没有合适的垫子去保护它们自己。

但这周麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的研究者们将推出一种新的技术。该技术使用了 3D 打印的柔性材料,能使得机器人在它们的移动中更加安全和准确。这一技术可用于提高无人机、手机、鞋或头盔等物品的耐用性能。

该小组的「可编程粘弹性材料」(PVM: programmable viscoelastic material)技术让用户能够自主设计 3D 打印部件的每一个部分,使得打印的物品能够依据它们用途的不同精确地满足所需的硬度或弹性。

减震的皮肤,可以让这些来自 MIT 计算机和人工智能实验室的机器人们在着陆时更加精确。由此,该技术有着潜在的应用前景:延长那些运输无人机的寿命——比如那些在 Amazon 和 Google 开发的无人机。

例如,在 3D 打印一个通过弹跳移动的立方体机器人后,研究者为机器人添上减震的「皮肤」,从而使其传递给地面的能量减少到了原来的 1/250。

「这种能量的减少防止了无人机在着陆撞击地面时其上的转子脱落和传感器损坏。」CSAIL 主任 Daniela Rush 说。他监督了整个项目并且是相关论文的作者之一。他说:「这些新材料使得 3D 打印机器人拥有粘弹性能,这种特性可作为制造过程的一部分在打印过程中赋予机器人。」

这种皮肤同时也使得机器人在着陆时比以往精确四倍。这表明相似的减震方法可以被用于延长亚马逊和谷歌研发的运输无人机的寿命。

这篇论文将会在下周在韩国举行的 IEEE/RSJ 智能机器人和系统国际会议上发表。作者是以 Rus 为首的三名博士后:第一作者 Robert MacCurdy 和 Jeffrey Lipton, 以及第三作者 Shuguang Li。

使用减震器

使用减震器有很多原因,包括控制钢琴的声音音色,保证汽车平顺行驶在路面上,或避免诸如无线电塔等设备受到风暴的影响。

最常见的减震材料是橡胶或塑料这样的「粘弹性材料」,它们同时具有固体的和液体的性能。它们便宜,结构紧实,又容易找到。但它们仅仅在特定领域和特殊的减震水平上具备商业用途,因为定制它们是件极花费时间的事情。

该团队意识到,解决这一问题的方法是 3D 打印。由于可以将不同机械性能的材料放入同一设计中,3D 打印可让用户能够「编程」物件每个部分精确所需的材料。

「在现有的制造方法下,定制柔性物件是很困难的。因为你需要通过铸模或者其他工业手段。」Lipton 说:「3D 打印为我们创造了更多可能。让我们可以提出:我们能做过去无法做出东西吗?」

通过一个标准的 3D 打印机,该团队使用一种混合了固体和液体、具备弹力的橡胶状材料——TangoBlack+——来打印方块以及它的皮肤。该 PVM 工艺与 Rus 之前的 3D 打印机器人相关——使用喷墨的液滴逐层沉积不同材料,然后用 UV 光去凝固非液体部分。

这个立方体机器人有一个坚实的身体、两个电机、一个微控制器、一个电池和一个惯性测量单元传感器。四层环形的金属条作为推动方块前进的弹簧。

「通过组合多种材料达到超过原有材料的性能,这样的工作延展了我们可以打印的东西的范围。」哥伦比亚大学工程系教授、《Fabricated: The New World of 3-D Printing》的作者之一 Hod Lipson 说,「在此之上,能够在独个打印工作中使用这个技术让增材制造(additive manufacturing)更上一层楼。」

Rus 提到 PVM 还有其他防护作用,例如用于减震跑鞋和头盔。通过减轻机器人发动机所带来的震动,例如 PVM 不仅可以保护照相机和传感器等敏感部位,还能使机器人更易于控制。「能够对部件的不同部分进行程序设计,对于头盔这样物品有着重要的影响。」MacCurdy 说:「你可以在特定部分使用让你的头部感到舒适的特殊材料,而该行业的其它减震材料主要是用于减轻撞击的影响。」

该工作得到了美国国家科学基金会的资助支持。

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