100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Разработаны уникальные материалы для 3D-печати мягкой робототехники

С помощью 3D-печати ученые создали мягкие роботизированные пальцы

Хотя робототехника изменила работу многих секторов промышленности, машины не подходят для применения во многих областях здравоохранения. Чтобы решить эту проблему, ученые придумали, как усовершенствовать некоторые движения роботов — а именно их прикосновения.

Читайте «Хайтек» в

Чтобы роботы могли безопасно манипулировать хрупкими объектами и живыми организмами или взаимодействовать с ними, необходимы новые стратегии, позволяющие улучшить их восприятие и сделать их части мягче. Фактически, создание безопасного и маневренного роботизированного захвата с человеческими возможностями в настоящее время является одной из самых важных целей робототехники. Оно позволит использовать роботов в сфере здравоохранения и ухода за пожилыми людьми.

Одна из основных проблем при разработке мягких роботизированных захватов — это установка традиционных датчиков на пальцы робота. В идеале мягкий захват должен обладать проприоцепцией — чувством собственных движений и положения — для безопасного выполнения различных задач. Однако традиционные датчики жесткие и ухудшают механические характеристики мягких частей. Более того, мягкие захваты обычно рассчитаны на один тип проприоцептивного ощущения; либо давление, либо искривление пальцев.

Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые из Университета Рицумейкан, Япония, работали над новыми конструкциями мягких захватов под руководством доцента Менгинг Се. В своем последнем исследовании, опубликованном в Nano Energy , они успешно использовали технологию многоматериальной 3D-печати для изготовления мягких роботизированных пальцев со встроенным датчиком проприоцепции. У новой стратегии проектирования множество преимуществ и это большой шаг к более безопасным и мощным мягким роботам.

Использование мультиматериальной 3D-печати, простого и быстрого процесса прототипирования, позволило исследователям легко интегрировать механизмы чувствительности и настройки жесткости в конструкцию самого пальца робота. «Наша работа предлагает способ разработки датчиков, которые могут использоваться не только как чувствительные элементы, но и как активные функциональные материалы. Это обеспечит лучший контроль всей системы без ущерба для ее динамического поведения», — заключает профессор Се. Другой примечательной особенностью их конструкции является то, что датчик питается от пьезоэлектрического эффекта, а это означает, что он не требует подачи энергии.

В целом, это исследование поможет найти новые способы улучшить взаимодействие мягких захватов с объектами, которыми они управляют, и их восприятие. В свою очередь, это значительно расширит возможности использования роботов, как указывает профессор Се: «Встроенные датчики с автономным питанием не только позволят роботам безопасно взаимодействовать с людьми и окружающей их средой, но и устранят препятствия для роботизированных устройств, которым требуется постоянная подача энергии».

Что нужно знать о мягких роботах

Мягкий робот-рыба SoFi, разработанная в Массачусетском технологическом институте. Предназначена для наблюдения за подводными обитателями, встроенная камера может снимать видео в режиме реального времени и делать качественные снимкиМягкий робот-рыба SoFi, разработанная в Массачусетском технологическом институте. Предназначена для наблюдения за подводными обитателями, встроенная камера может снимать видео в режиме реального времени и делать качественные снимки
Фото: Instagram / @mit_csail

Роботы из жестких материалов одинаково хорошо справляются как с однотипными задачами, — например, работой на конвейере, — так и с задачами, требующими применения физической силы. Однако они далеко не универсальны. Более функциональными за счет своей гибкости и подвижности считаются мягкие роботы. Это устройства из эластичных материалов, способных менять форму, что позволяет машине адаптироваться к условиям окружающей среды наравне с живым существом. Пока этот раздел робототехники находится на ранней стадии развития, однако изобретатели постоянно совершенствуют свои разработки и придумывают новые способы применения мягких роботов.

«То, что делает [жесткого] робота точным и сильным, также делает его ужасно неэффективным в реальном мире, так как он не обладает пластичностью», — обозначила недостаток автоматизированных устройств из мягких материалов биомедицинский инженер из США Джада Гербони во время своего выступления на TED в 2018 году. По словам эксперта, основная задача мягкой робототехники заключается в том, чтобы создавать устройства, способные приспосабливаться к окружающей среде и функционировать в условиях неопределенности.

Читайте так же:
Как студия Лебедева создала новый дизайн автомобильных номеров

Эксперты прогнозируют, что в ближайшие годы спрос на подобные устройства будет стремительно расти. Как предполагают в американской аналитической компании Mordor Intelligence, мировой рынок мягкой робототехники будет увеличиваться примерно на 40,5% в год и к 2026 году достигнет $6,3 млрд по сравнению с $1 млрд в 2020 году.

Сферы применения мягких роботов

Как отмечают в Mordor Intelligence, одним из стимулов для развития рынка мягкой робототехники станет растущая потребность в автоматизации многих отраслей, включая пищевую промышленность и ретейл. В частности, мягкие роботы могут использоваться для «захвата» хрупких товаров (например, яиц), обнаружения слишком спелых или испортившихся продуктов, перестановки контейнеров неправильной формы, комплектации продуктовых корзин. Созданием мягких «роботов-хватателей», работающих при помощи искусственного интеллекта, в том числе занимается американская компания Soft Robotics.

По мнению Джады Гербони, одной из самых перспективных сфер для применения мягких роботов является медицина, в том числе минимально инвазивная хирургия. В этом случае хирургическое вмешательство осуществляется через один или несколько небольших разрезов с использованием камер. Преимущество таких операций заключается в том, что они снижают риск развития осложнений и занесения инфекций, а также сокращают период восстановления. Однако врачи вынуждены использовать жесткие и полужесткие инструменты, которые ограничивают их возможности.

Джада Гербони и группа исследователей из Высшей школы Святой Анны (Scuola Superiore Sant’Anna, Пиза, Италия) разработали гибкий роботизированный прибор с высоким уровнем маневренности. Он изготавливается из силикона и состоит из нескольких модулей, каждый из которых имеет одинаковые функциональные характеристики. Модули оснащены механизмом, который может менять жесткость конструкции во время выполнения задач. Прибор приводится в движение с помощью пневмопривода (работает на энергии сжатого воздуха. — Прим. Plus-one.ru). Испытания показали, что он может изгибаться до 120° и увеличиваться в длине на 66%. Его жесткость может повышаться до 36%.

Помимо проведения операций, мягкие роботы могут использоваться для обследования и восстановления внутренних органов, реабилитации функций верхних и нижних конечностей. Уже изобретены роботизированная перчатка для хватания предметов и экзокостюм, облегчающий процесс ходьбы и бега.

Еще одна сфера применения мягких роботов — космические исследования. Например, в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) работают над созданием устройств из силикона, которые можно будет использовать для изучения жизни на других планетах. Они печатаются на 3D-принтере и оснащены камерами и трубками, которые при поступлении воздуха приводят конструкцию в движение.

«Робот-хвататель» американской компании Soft Robotics. Способен захватывать предметы различных форм не деформируя их«Робот-хвататель» американской компании Soft Robotics. Способен захватывать предметы различных форм не деформируя их
Фото: Facebook / Soft Robotics Inc. / @softroboticsinc

Прототипами для мягких роботов стали живые существа

В 2016 году ученые из Гарвардского университета представили первого мягкого робота под названием Octobot. Это полностью автономное портативное устройство без жестких электронных элементов, которое внешне напоминает осьминога (от англ. octopus — «осьминог», bot — «робот»). «Тело» Octobot представляет собой комплекс топливных резервуаров, реакционных камер, клапанов и микроканалов. В результате химической реакции, которая происходит между жидким топливом — перекисью водорода — и катализатором — платиной, образуется большое количество газа. Оно поступает в восемь щупалец робота и заставляет его двигаться. Излишки газа выходят через специальные отверстия, благодаря чему робот не взрывается.

Все компоненты 10-сантиметрового Octobot печатаются на 3D-принтере, что, по словам разработчиков, делает его простым в производстве. Кроме того, оно обходится довольно дешево, а значит, по оценкам издания Fortune, может быть массовым. Один из авторов исследования Майкл Венер отмечал, что подобные устройства способны проникать в замкнутые пространства. Это говорит о том, что их можно использовать во время поисково-спасательных операций или даже при лечении болезней внутренних органов. Еще одно преимущество мягких роботов, по его словам, заключается в том, что, работая рядом с людьми, они едва ли смогут нанести им вред, чего не скажешь о конструкциях с жесткими элементами.

Читайте так же:
Города мира, где солнце светит лишь несколько дней в году — рассматриваем детально

Сотрудники из Массачусетского технологического института тоже вдохновились природой и создали мягкого робота-рыбу SoFi, которая предназначена для наблюдения за подводной жизнью. Правда, в отличие от Octobot, она оснащена жесткими деталями — камерой, двигателем и литий-полимерным аккумулятором (используется в смартфонах и другой электронике. — Прим. Plus-one.ru). При этом у нее есть гибкий хвост с двумя резервуарами, в которые закачивается вода. Когда вода поступает в один из них, хвост изгибается в одну сторону, а когда в другой — в другую. Благодаря этому рыба может менять направление движения. По бокам у робота есть два плавника, которые регулируют угол наклона SoFi при погружении и всплытии. Задняя часть рыбы изготовлена из силиконовой резины и гибкого пластика. Голова, где расположена вся электроника, напечатана на 3D-принтере. Управление устройством происходит через акустическую систему, которая принимает сигналы от оператора. Во время испытаний в водах вокруг островов Фиджи SoFi плавала на глубине 50 м в течение 40 минут и при этом делала фотографии и снимала видео высокого разрешения.

Сотрудники Сингапурского университета технологии и дизайна в свою очередь разработали новый способ изготовления мягких роботов. В его основу легла технология 3D-печати, благодаря которой можно одновременно использовать несколько разных материалов, а также метод топологической оптимизации, позволяющий наилучшим образом распределить эти материалы в пределах определенного набора ограничений. Инженеры создали мягкого робота, прототипом которого стал скат.

От воска до металла: обзор основных материалов для 3D-печати

Основные материалы для профессиональной и промышленной 3D-печати – это пластики в виде нитей/гранул или порошка, фотополимерные смолы, металлические порошки, воск и гипс. Обладая исключительно высокими качественными характеристиками, они с успехом используются в различных отраслях для прототипирования и изготовления функциональных деталей, и с развитием аддитивного производства их становится все больше.

Материалы для 3D-печати

Остановимся подробнее на каждом из материалов, применяемых в следующих технологиях:

  1. моделирование методом послойного наплавления (FDM); ; ; ; ; .

Пластик

Пластик – один их самых востребованных расходных материалов для аддитивного производства. Ассортимент термопластиков и композитов, предназначенных для FDM-печати, исключительно разнообразен и позволяет выбрать, исходя из поставленных задач, наиболее подходящие по физико-механическим свойствам материалы.

В этом разделе мы рассматриваем расходные материалы FDM-принтеров. Это так называемые филаменты – пластики в виде нитей, намотанных на катушки. Иногда они выпускаются в виде гранул.

FDM-технология лежит в основе не только домашних, но и профессиональных и промышленных 3D-принтеров, поэтому пластики активно используются на производстве, для изготовления прототипов и функциональных изделий в таких отраслях, как автомобилестроение, авиационная промышленность, бытовые товары, электроника, архитектура, медицина, наука и образование.

  • широкий диапазон применений;
  • разнообразие цветов и фактур материала;
  • легкость механической обработки;
  • удобство в использовании;
  • гибкая структура материала;
  • возможность печати крупных цельных изделий;
  • относительно невысокая стоимость.

Основные виды пластиков

ABS-пластик. Отличается практически полным отсутствием запаха и не выделяет токсичных химических веществ. Обладает множеством положительных характеристик, включая повышенную ударопрочность при высокой эластичности и мягкости материала, а также простую механическую обработку. Высокая растворимость в ацетоне позволяет легко склеивать детали и сглаживать внешние поверхности изделий. Обычно ABS-пластик непрозрачен, но при необходимости легко окрашивается в любые цвета. Конечные изделия без окрашивания чувствительны к воздействию ультрафиолета и наделены невысокими электроизоляционными свойствами.

Читайте так же:
Зачем раньше крахмалили белье?

PLA-пластик. Ключевые составляющие PLA-пластика – это сахарный тростник и кукуруза, а в основе материала лежит молочная кислота. Регулируя ее уровень при производстве, можно получить различные свойства полимера, тем самым расширяя области его использования. Изделия из PLA-пластика обладают ровной и скользящей поверхностью, что идеально подходит для распечатывания подшипников скольжения. Материал нетоксичен, благодаря чему широко применяется для производства различных игрушек и сувениров. Имеет лишь один недостаток – недолговечность эксплуатации. Готовое изделие из пластика может прослужить до нескольких лет при минимальном использовании и температуре до +50 градусов.

PETG / PET / PETT-пластик. PET, или полиэтилентерефталат, – наиболее распространенный вид пластика. Для 3D-печати «чистый» PET используют редко, применяя в основном его разновидность – PETG. PETG более долговечен и обладает гораздо меньшей температурой переработки. Еще одной версией PET является PETT – более жесткий и достаточно популярный материал благодаря своей прозрачности.

PC-пластик (поликарбонат). Обладает высокой прочностью и износостойкостью, а также повышенным сопротивлением физическим воздействиям и термостойкостью. Выдерживает температуру до 110°C. Материал прозрачный, гибкий, легко гнется и не деформируется. Отлично подходит для использования в автомобилестроении, медицине и приборостроении.

Оборудование в каталоге iQB Technologies: Sharebot и Discovery 3D Printer
Материалы в каталоге iQB Technologies: Sharebot и Discovery 3D Printer

Полиамид и полистирол

3D печать пластиком

Полиамид – порошковый материал, спекаемый лазером. Список полиамидов обширен и включает в себя как самые простые пластики, так и специальные материалы, среди которых в 3D-печати используются:

  • стеклонаполненные полиамиды, улучшающие физические свойства напечатанной модели;
  • угленаполненные полиамиды, которые позволяют уменьшить вес конструкции, сохраняя при этом физико-механические свойства изделия;
  • металлонаполненные полиамиды, необходимые в качестве барьерных материалов, например, при экранировании радиации.

Этот вид материалов для трехмерной печати задействован в таких областях, как машиностроение, аэрокосмическая отрасль, производство потребительских товаров и дизайн.

Полиамиды используются для изготовления конечных изделий, функционального тестирования и мелкосерийного производства, обеспечивая стабильную производительность и повторяемость изделий. Они дают возможность создавать конечные изделия с уникальными свойствами за один производственный цикл без последующей логистики и сборки компонентов.

Технология печати, в которой применяются полиамиды, – Selective Laser Sintering (SLS), послойное спекание частиц порошка под лучами CO2-лазера.

Еще один порошковый материал, используемый в 3D-печати по технологии SLS, – полистирол. Он представляет собой узкоспециализированное решение для промышленного литья и служит для создания форм и моделей с максимально качественной поверхностью. Этот материал дает возможность печатать изделия с разной геометрией на единой платформе, а выращенная из полистирола модель выжигается с минимальной зольностью.

Оборудование в каталоге iQB Technologies: Sharebot
Материалы в каталоге iQB Technologies: Sharebot

Фотополимеры

Фотополимерная смола – один из самых перспективных и активно использующихся в аддитивном производстве материалов. Ее главное преимущество – универсальность. Под воздействием ультрафиолетового света или лазера фотополимеры, изначально находящиеся в жидком состоянии, затвердевают и могут приобретать совершенно разные механические свойства и характеристики.

Жесткие, эластичные, ударопрочные термопластики, прозрачные, полупрозрачные или разноцветные материалы – благодаря такому разнообразию сферы применения изделий из фотополимеров практически безграничны.

  • Качество. Изделия из фотополимерной смолы получаются гладкие и детализированные.
  • Точность. Напечатанные на фотополимерном 3D-принтере объекты сложной геометрии могут иметь очень тонкие части – до 0,025 мм на 25,4 мм детали.
  • Стабильность. Готовые модели и прототипы отличаются превосходными физическими и механическими свойствами.
  • Легкая обработка. Фотополимерные модели легко склеиваются, шлифуются, красятся и т.д. – с ними можно делать буквально всё что угодно.
Читайте так же:
Что такое витамин D: рассматриваем вопрос

Благодаря всем этим качествам предприятия авиационной, автомобильной, ювелирной промышленности, оборонного комплекса, машиностроения и других отраслей по достоинству оценили 3D-печать с использованием фотополимеров. Прототипы деталей самолетов, новых разработок двигателей – всё это изготавливается быстро и просто, в зависимости от поставленных задач, по технологии стереолитографии или многоструйной печати.

Оборудование в каталоге iQB Technologies: Sharebot и ProtoFab
Материалы в каталоге iQB Technologies: Sharebot и ProtoFab

Металлические сплавы

3D печать металлами

Металл для аддитивных установок выпускается в виде мелкодисперсных сферических гранул с величиной зерна от 4 до 80 микрон. Применяемая технология заключается в сплавлении металлических порошков при помощи иттербиевого лазера и носит название селективного лазерного плавления (SLM).

Сегодня доступно около 20 материалов из металла, и их число будет расти. Это не только стандартные сплавы, но и уникальные высокотехнологичные материалы, которые предприятие может заказать для решения конкретных задач.

Из металлических порошков изготавливаются функциональные детали и технические прототипы, штампы, прессовые вставки, элементы пресс-форм для литья и другие изделия. Напечатанная на металлических 3D-принтерах продукция находит применение в аэрокосмической, нефтегазовой, автомобильной, пищевой промышленности, машиностроении, электронике, медицине.

Виды сплавов, используемых в 3D-печати:

  • нержавеющие (17-4PH, AISI 410, AISI 304L, AISI 316L, AISI 904L);
  • инструментальные (1.2343, 1.2367, 1.2709);
  • никелевые (Inconel 625, Inconel 718);
  • цветных металлов (CuSn6);
  • кобальт-хром (CoCr);
  • алюминиевые (AlSi12);
  • титановые (Ti6Al4V, Ti6Al4V).

Главное преимущество селективного лазерного плавления – это возможность создавать изделия исключительно высокой плотности и точности. Плотность напечатанных деталей в 1,5 раза выше, чем при литье. Кроме того, из металлических порошков можно вырастить мельчайшие детали сложных форм и фактур. 3D-печать металлами позволяет сократить цикл изготовления и уменьшить производственные расходы.

Оборудование в каталоге iQB Technologies: SLM Solutions и Sharebot
Материалы в каталоге iQB Technologies: SLM Solutions

Восковые модели, напечатанные на 3д принтере

Это незаменимый материал для создания высокоточных выплавляемых моделей. Основные отрасли применения 3D-печати воском – ювелирное дело и литейное производство.

Раньше создание восковок и мастер-моделей было трудоемкой задачей, решение которой включало несколько этапов. С появлением восковых 3D-принтеров эта технология постепенно уходит в прошлое.

Воск идеально подходит для печати в ювелирной отрасли благодаря своим свойствам – хорошей выплавляемости (при t от 60°С) и легкости в постобработке. Еще один плюс восковой 3D-печати заключается в том, что стандартными методами производства вы при всем желании не сможете изготовить два совершенно идентичных образца. А 3D-принтеру такая возможность доступна.

Пожалуй, единственный недостаток воска – его хрупкость. При создании мастер-моделей сложных форм с тонкими стенками постобработку следует выполнять аккуратно.

Восковые мастер-модели отличаются точностью и высоким качеством поверхности. 3D-печать воском основана на технологии многоструйной печати (MultiJet Printing, MJP).

Закажите услуги 3D-печати воском! Тестовая печать бесплатно!

3D печать гипсом

Гипс – материал в виде порошка, который используется в аддитивном производстве для создания:

  • сувенирной продукции;
  • моделей для презентаций;
  • архитектурных и конструкторских макетов;
  • дизайнерских арт-объектов; .

Преимущества гипса – в простоте, эффективности и универсальности его использования в 3D-печати для изготовления различных изделий. Материал распределяется по поверхности рабочего стола, сверху наносится клеящее средство, после чего снова наносится тонкий слой гипсового порошка. Напечатанные на 3D-принтере гипсовые изделия могут иметь любые цвета: белый, синий, красный, фиолетовый и т.д. Цветовой спектр в отдельных принтерах достигает 6 миллионов оттенков.

Гипсовая печать выполняется по технологии ColorJet Printing (CJP). Максимальный на сегодня размер камеры построения аддитивной установки – 508381229 мм (в профессиональном 3D-принтере ProJet 860 Pro компании 3D Systems). При этом изделия из гипса можно склеивать между собой, тем самым получая изделия гораздо большего размера, чем предусматривает камера построения.

Читайте так же:
Ученые выяснили, почему листья на рельсах становятся скользкими

iQB Technologies – официальный дистрибутор SLM Solutions (Германия) / эксклюзивный дистрибутор Discovery 3D Printer (Испания), Sharebot (Италия) и ProtoFab (Китай) в России

Новый металлический материал для гибких мягких роботов

Новый материал в два раза легче бумаги, что также делает его более энергоэффективным.

Доцент NUS Чэнь По-Йен (справа) и докторант Ян Хайтао (слева) и их команда создали новый металлический материал для мягких и гибких роботов

В течение многих лет мягкая робототехника была многообещающей областью исследований, часто из мягких материалов, таких как бумага, пластик и резина. Также известные как роботы оригами, роботы оснащены датчиками и электрическими компонентами.

Тесная интеграция исполнительных, чувствительных и коммуникационных возможностей в роботы-оригами позволяет разрабатывать функциональные роботы нового поколения. Однако эта задача является сложной, поскольку обычные материалы для создания роботов-оригами не имеют конструктивных возможностей для включения дополнительных функций.

Теперь ученые из Национального университета Сингапура придумали новый метод создания нового материала на основе металла для использования в этих мягких роботах. Комбинируя металлы, такие как платина, с обожженной бумагой (золой), они получили материал, который поддерживает складываемость и легкие свойства традиционной бумаги и пластика.

Ученые в основном использовали процесс, называемый «шаблонный синтез на основе оксида графена» для создания этого материала. Сначала они впитали целлюлозную бумагу в раствор оксида графена, а затем погрузили ее в раствор из металлических ионов, таких как платина. Затем материал сжигается в инертном газе аргоне при 800 ° С, а затем при 500 °С на воздухе.

Результаты — тонкий слой металла размером 90 микрометров (мкм) или 0,09 мм, который содержит 70 процентов платины и 30 процентов аморфного углерода (золы).

Помощник руководителя группы профессор Чэнь По-Йен сказал : «Мифическое существо вдохновляет нас. Как и феникс, он может сгореть дотла и возродиться, чтобы стать более могущественным, чем раньше».

Полученный материал действует как легкий металлический каркас, который в три раза легче, чем обычные материалы, используемые для изготовления роботов-оригами. Он также более энергоэффективен, что позволяет роботам-оригами работать быстрее, используя на 30% меньше энергии.

Характеристики нового материала:

  • Возможности геотермального нагрева: материал может передавать напряжение через материал, заставляя его нагреваться, что помогает предотвратить повреждение от обледенения, когда робот работает в холодной среде. Эти свойства могут быть использованы при создании легких, гибких поисково-спасательных роботов, которые могут входить в опасные зоны, обеспечивая обратную связь и связь в режиме реального времени.
  • Он может функционировать как механически стабильные, мягкие и проводящие магистрали, которые снабжают роботов функциями определения напряжения и связи без необходимости использования внешней электроники.
  • Быть проводящим означает, что материал действует как его беспроводная антенна, позволяя ему общаться с удаленным оператором или другими роботами без необходимости использования внешних коммуникационных модулей.

Г-н Ян Хайтао, аспирант NUS Chemical and Biomolecular Engineering и первый автор исследования, сказал: «Мы экспериментировали с различными электропроводящими материалами, чтобы наконец получить уникальную комбинацию, которая обеспечивает оптимальное распознавание деформации и возможности беспроводной связи. Поэтому наше изобретение расширяет библиотеку нетрадиционных материалов для изготовления продвинутых роботов».

Этот значительный научный прорыв был опубликован в престижном научном журнале Science Robotics 28 августа 2019 года.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию