Een door MIT-onderzoekers ontwikkeld geautomatiseerd systeem ontwerpt en 3D-print complexe robotonderdelen, actuatoren genaamd, die zijn geoptimaliseerd volgens een enorm aantal specificaties. Kortom, het systeem doet automatisch wat voor mensen vrijwel onmogelijk is om met de hand te doen.

In een paper gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de onderzoekers demonstreren het systeem door actuatoren te fabriceren - apparaten die robotsystemen mechanisch besturen in reactie op elektrische signalen - die verschillende zwart-witbeelden onder verschillende hoeken laten zien. Een aandrijving, bijvoorbeeld, toont een portret van Vincent van Gogh als het plat ligt. Een hoek gekanteld wanneer het is geactiveerd, echter, het beeldt het beroemde schilderij "The Scream" van Edvard Munch af.

De actuatoren zijn gemaakt van een patchwork van drie verschillende materialen, elk met een andere lichte of donkere kleur en een eigenschap, zoals flexibiliteit en magnetisatie, die de hoek van de actuator regelt als reactie op een stuursignaal. Software splitst eerst het ontwerp van de actuator op in miljoenen driedimensionale pixels, of "voxels, " die elk met elk van de materialen kunnen worden gevuld. Dan, het voert miljoenen simulaties uit, verschillende voxels vullen met verschillende materialen. Eventueel, het landt op de optimale plaatsing van elk materiaal in elke voxel om twee verschillende afbeeldingen onder twee verschillende hoeken te genereren. Een aangepaste 3D-printer fabriceert vervolgens de actuator door het juiste materiaal in de juiste voxel te laten vallen, laag voor laag.

"Ons uiteindelijke doel is om automatisch een optimaal ontwerp te vinden voor elk probleem, en vervolgens de uitvoer van ons geoptimaliseerde ontwerp gebruiken om het te fabriceren, " zegt eerste auteur Subramanian Sundaram Ph.D. '18, een voormalig afgestudeerde student in het Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). "We gaan van het selecteren van de printmaterialen, het vinden van het optimale ontwerp, om het eindproduct bijna volledig geautomatiseerd te fabriceren."

De verschuivende beelden laten zien wat het systeem kan. Maar actuatoren die zijn geoptimaliseerd voor uiterlijk en functie kunnen ook worden gebruikt voor biomimicry in robotica. Bijvoorbeeld, andere onderzoekers ontwerpen onderwaterrobothuiden met actuatorarrays die bedoeld zijn om denticles op haaienhuid na te bootsen. Tandriemen vervormen gezamenlijk om de weerstand te verminderen voor snellere, rustiger zwemmen. "Je kunt je voorstellen dat onderwaterrobots hele reeksen actuatoren hebben die het oppervlak van hun huid bedekken, die kan worden geoptimaliseerd voor efficiënt slepen en draaien, enzovoort, ' zegt Sundaram.

Deelnemen aan Sundaram op het papier zijn:Melina Skouras, een voormalig MIT-postdoc; David S. Kim, een voormalig onderzoeker in de Computational Fabrication Group; Louise van den Heuvel '14, SM '16; en Wojciech Matusik, een universitair hoofddocent aan het MIT in elektrotechniek en informatica en hoofd van de Computational Fabrication Group.

Navigeren door de "combinatorische explosie"

Robotische actuatoren worden tegenwoordig steeds complexer. Afhankelijk van de toepassing, ze moeten worden geoptimaliseerd voor gewicht, efficiëntie, verschijning, flexibiliteit, energieverbruik, en diverse andere functies en prestatiestatistieken. Over het algemeen, experts berekenen al die parameters handmatig om een ​​optimaal ontwerp te vinden.

Om aan die complexiteit toe te voegen, nieuwe 3D-printtechnieken kunnen nu meerdere materialen gebruiken om één product te maken. Dat betekent dat de dimensionaliteit van het ontwerp ongelooflijk hoog wordt. "Wat je overhoudt is wat een 'combinatorische explosie' wordt genoemd, ' waar je in wezen zoveel combinaties van materialen en eigenschappen hebt dat je niet de kans hebt om elke combinatie te evalueren om een ​​optimale structuur te creëren, ' zegt Sundaram.

In hun werk, de onderzoekers hebben eerst drie polymeermaterialen aangepast met specifieke eigenschappen die ze nodig hadden om hun actuatoren te bouwen:kleur, magnetisatie, en stijfheid. Uiteindelijk, ze produceerden een bijna transparant stijf materiaal, een ondoorzichtig flexibel materiaal dat als scharnier wordt gebruikt, en een bruin nanodeeltjesmateriaal dat reageert op een magnetisch signaal. Ze stopten al die karakteriseringsgegevens in een eigenschappenbibliotheek.

Het systeem neemt voorbeelden van grijswaardenafbeeldingen als invoer, zoals de platte actuator die het Van Gogh-portret weergeeft, maar in een exacte hoek kantelt om 'De Schreeuw' weer te geven. Het voert in feite een complexe vorm van vallen en opstaan ​​​​uit die enigszins lijkt op het herschikken van een Rubik's Cube, maar in dit geval worden ongeveer 5,5 miljoen voxels iteratief opnieuw geconfigureerd om overeen te komen met een afbeelding en te voldoen aan een gemeten hoek.

aanvankelijk, het systeem put uit de eigenschappenbibliotheek om willekeurig verschillende materialen toe te wijzen aan verschillende voxels. Vervolgens, het voert een simulatie uit om te zien of die opstelling de twee doelbeelden weergeeft, rechtdoor en onder een hoek. Als niet, hij krijgt een foutmelding. Dat signaal laat het weten welke voxels op de markering staan ​​en welke moeten worden gewijzigd. toevoegen, Verwijderen, en verschuiven rond bruine magnetische voxels, bijvoorbeeld, zal de hoek van de actuator veranderen wanneer een magnetisch veld wordt toegepast. Maar, het systeem moet ook overwegen hoe het uitlijnen van die bruine voxels het beeld zal beïnvloeden.

Voxel door voxel

Om het uiterlijk van de actuator bij elke iteratie te berekenen, gebruikten de onderzoekers een computergrafische techniek genaamd "ray-tracing, " die het pad van licht simuleert dat in wisselwerking staat met objecten. Gesimuleerde lichtstralen schieten door de actuator bij elke kolom voxels. Actuatoren kunnen worden gefabriceerd met meer dan 100 voxellagen. Kolommen kunnen meer dan 100 voxels bevatten, met verschillende sequenties van de materialen die een andere grijstint uitstralen als ze vlak of schuin zijn.

Wanneer de actuator plat is, bijvoorbeeld, de lichtstraal kan naar beneden schijnen op een kolom met veel bruine voxels, een donkere toon produceren. Maar wanneer de actuator kantelt, de straal zal schijnen op verkeerd uitgelijnde voxels. Bruine voxels kunnen van de straal wegschuiven, terwijl meer heldere voxels in de straal kunnen verschuiven, een lichtere toon produceren. Het systeem gebruikt die techniek om donkere en lichte voxelkolommen uit te lijnen waar ze moeten zijn in het vlakke en schuine beeld. Na 100 miljoen of meer iteraties, en overal van enkele tot tientallen uren, het systeem zal een opstelling vinden die past bij de doelbeelden.

"We vergelijken hoe die [voxelkolom] eruitziet als hij plat is of als hij een titel heeft, om de doelafbeeldingen te matchen, " zegt Sundaram. "Zo niet, je kunt ruilen, zeggen, een heldere voxel met een bruine. Als dat een verbetering is, we behouden deze nieuwe suggestie en brengen steeds weer andere wijzigingen aan."

Om de actuatoren te fabriceren, de onderzoekers bouwden een aangepaste 3D-printer die een techniek gebruikt die 'drop-on-demand' wordt genoemd. Tubs van de drie materialen zijn verbonden met printkoppen met honderden nozzles die afzonderlijk kunnen worden bediend. De printer vuurt een druppel van 30 micron van het aangewezen materiaal af op de respectievelijke voxellocatie. Zodra de druppel op het substraat landt, het is gestold. Op die manier, de printer bouwt een object, laag voor laag.

Het werk kan worden gebruikt als opstapje voor het ontwerpen van grotere constructies, zoals vliegtuigvleugels, zegt Sundaram. onderzoekers, bijvoorbeeld, zijn op dezelfde manier begonnen met het afbreken van vliegtuigvleugels in kleinere voxelachtige blokken om hun ontwerpen te optimaliseren voor gewicht en lift, en andere maatstaven. "We zijn nog niet in staat om vleugels of iets op die schaal te printen, of met die materialen. Maar ik denk dat dit een eerste stap in de richting van dat doel is, ' zegt Sundaram.