Un sistema automatizzato sviluppato dai ricercatori del MIT progetta e stampa in 3D parti robotiche complesse chiamate attuatori che sono ottimizzate in base a un numero enorme di specifiche. In breve, il sistema fa automaticamente ciò che è praticamente impossibile per gli esseri umani fare a mano.

In un articolo pubblicato su Progressi scientifici , i ricercatori dimostrano il sistema fabbricando attuatori, dispositivi che controllano meccanicamente i sistemi robotici in risposta a segnali elettrici, che mostrano diverse immagini in bianco e nero da diverse angolazioni. Un attuatore, ad esempio, ritrae un ritratto di Vincent van Gogh quando è disteso. Inclinato un angolo quando è attivato, però, ritrae il famoso dipinto di Edvard Munch "L'urlo".

Gli attuatori sono realizzati con un patchwork di tre materiali diversi, ciascuno con un diverso colore chiaro o scuro e una proprietà, come flessibilità e magnetizzazione, che controlla l'angolo dell'attuatore in risposta a un segnale di controllo. Il software scompone prima il design dell'attuatore in milioni di pixel tridimensionali, o "voxel, " ognuno dei quali può essere riempito con uno qualsiasi dei materiali. Quindi, esegue milioni di simulazioni, riempire voxel diversi con materiali diversi. Infine, atterra sul posizionamento ottimale di ciascun materiale in ciascun voxel per generare due immagini diverse con due diverse angolazioni. Una stampante 3D personalizzata quindi fabbrica l'attuatore facendo cadere il materiale giusto nel voxel giusto, strato per strato.

"Il nostro obiettivo finale è trovare automaticamente un design ottimale per qualsiasi problema, e quindi utilizzare l'output del nostro design ottimizzato per fabbricarlo, " dice il primo autore Subramanian Sundaram Ph.D. '18, un ex studente laureato presso il Laboratorio di Informatica e Intelligenza Artificiale (CSAIL). "Passiamo dalla selezione dei materiali di stampa, per trovare il design ottimale, alla fabbricazione del prodotto finale in modo quasi completamente automatizzato."

Le immagini in movimento dimostrano cosa può fare il sistema. Ma gli attuatori ottimizzati per aspetto e funzione potrebbero essere utilizzati anche per la biomimetica nella robotica. Ad esempio, altri ricercatori stanno progettando pelli robotiche subacquee con array di attuatori pensati per imitare i denticoli sulla pelle degli squali. I denticoli si deformano collettivamente per ridurre la resistenza più velocemente, nuoto più tranquillo. "Puoi immaginare robot subacquei con intere serie di attuatori che rivestono la superficie delle loro pelli, che può essere ottimizzato per trascinare e girare in modo efficiente, e così via, "Dice Sundaram.

Unendo Sundaram sulla carta sono:Melina Skouras, un ex postdoc del MIT; David S. Kim, un ex ricercatore nel Computational Fabrication Group; Louise van den Heuvel '14, SM '16; e Wojciech Matusik, un professore associato del MIT in ingegneria elettrica e informatica e capo del Computational Fabrication Group.

Navigare nell'"esplosione combinatoria"

Gli attuatori robotici oggi stanno diventando sempre più complessi. A seconda dell'applicazione, devono essere ottimizzati per il peso, efficienza, aspetto esteriore, flessibilità, consumo di energia, e varie altre funzioni e metriche delle prestazioni. In genere, gli esperti calcolano manualmente tutti quei parametri per trovare un design ottimale.

Aggiungendo a tale complessità, le nuove tecniche di stampa 3D possono ora utilizzare più materiali per creare un prodotto. Ciò significa che la dimensionalità del design diventa incredibilmente alta. "Quello che ti rimane è quella che viene chiamata un'esplosione combinatoria, ' dove essenzialmente hai così tante combinazioni di materiali e proprietà che non hai la possibilità di valutare ogni combinazione per creare una struttura ottimale, "Dice Sundaram.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno prima personalizzato tre materiali polimerici con proprietà specifiche di cui avevano bisogno per costruire i loro attuatori:colore, magnetizzazione, e rigidità. Alla fine, hanno prodotto un materiale rigido quasi trasparente, un materiale flessibile opaco usato come cerniera, e un materiale nanoparticellare marrone che risponde a un segnale magnetico. Hanno inserito tutti quei dati di caratterizzazione in una libreria di proprietà.

Il sistema prende come input esempi di immagini in scala di grigi, come l'attuatore piatto che mostra il ritratto di Van Gogh ma si inclina con un angolo esatto per mostrare "L'urlo". Fondamentalmente esegue una forma complessa di tentativi ed errori che è un po' come riorganizzare un cubo di Rubik, ma in questo caso circa 5,5 milioni di voxel vengono riconfigurati in modo iterativo per corrispondere a un'immagine e soddisfare un angolo misurato.

Inizialmente, il sistema attinge dalla libreria delle proprietà per assegnare in modo casuale materiali diversi a voxel diversi. Quindi, esegue una simulazione per vedere se quella disposizione ritrae le due immagini di destinazione, dritto e ad angolo. Altrimenti, riceve un segnale di errore. Quel segnale gli consente di sapere quali voxel sono sul segno e quali dovrebbero essere modificati. aggiungendo, rimozione, e spostandosi attorno a voxel magnetici marroni, ad esempio, cambierà l'angolo dell'attuatore quando viene applicato un campo magnetico. Ma, il sistema deve anche considerare come l'allineamento di quei voxel marroni influenzerà l'immagine.

Voxel per voxel

Per calcolare l'aspetto dell'attuatore ad ogni iterazione, i ricercatori hanno adottato una tecnica di computer grafica chiamata "ray-tracing, " che simula il percorso della luce che interagisce con gli oggetti. I raggi di luce simulati sparano attraverso l'attuatore a ciascuna colonna di voxel. Gli attuatori possono essere fabbricati con più di 100 strati di voxel. Le colonne possono contenere più di 100 voxel, con diverse sequenze dei materiali che irradiano una diversa tonalità di grigio quando sono piatti o inclinati.

Quando l'attuatore è piatto, ad esempio, il raggio di luce può illuminare una colonna contenente molti voxel marroni, producendo un tono scuro. Ma quando l'attuatore si inclina, il raggio brillerà sui voxel disallineati. I voxel marroni possono allontanarsi dal raggio, mentre i voxel più chiari possono spostarsi nel raggio, producendo un tono più leggero. Il sistema utilizza questa tecnica per allineare le colonne voxel chiare e scure dove devono essere nell'immagine piatta e angolata. Dopo 100 milioni o più di iterazioni, e ovunque da poche a decine di ore, il sistema troverà una disposizione che si adatti alle immagini di destinazione.

"Stiamo confrontando l'aspetto di quella [colonna voxel] quando è piatta o quando è intitolata, per abbinare le immagini di destinazione, " dice Sundaram. "Se no, puoi scambiare, dire, un voxel chiaro con uno marrone. Se questo è un miglioramento, manteniamo questo nuovo suggerimento e apportiamo altre modifiche più e più volte."

Per fabbricare gli attuatori, i ricercatori hanno costruito una stampante 3D personalizzata che utilizza una tecnica chiamata "drop-on-demand". Le vaschette dei tre materiali sono collegate a testine di stampa con centinaia di ugelli controllabili singolarmente. La stampante spara una goccia di 30 micron del materiale designato nella rispettiva posizione del voxel. Una volta che la goccia si posa sul substrato, è solidificato. In quel modo, la stampante costruisce un oggetto, strato per strato.

L'opera potrebbe essere utilizzata come trampolino di lancio per la progettazione di strutture più grandi, come le ali degli aeroplani, Sundaram dice. Ricercatori, ad esempio, allo stesso modo hanno iniziato a scomporre le ali degli aeroplani in blocchi più piccoli simili a voxel per ottimizzare i loro progetti per peso e sollevamento, e altre metriche. "Non siamo ancora in grado di stampare ali o altro su quella scala, o con quei materiali. Ma penso che questo sia un primo passo verso questo obiettivo, "Dice Sundaram.