획기적인 3D프린팅 프로세스

새로운 기술은 다중 기능을 가진 공학 활물질, 즉 '메타물질'을 위한 3D프린팅 공정을 포함한다. 로봇을 작동시키는 데 필요한 전체 기계 및 전자 시스템을 한 번에 제작할 수 있다. '메타봇'은 3D 프린팅된 후 이동, 추진, 감지 및 의사 결정을 수행할 수 있다. 

프린팅된 자료는 프로그래밍 된 후 스스로 움직이는 감각, 이동 및 구조 요소의 내부 네트워크로 구성된다. 이 내부 네트워크가 한 곳에 모였기 때문에 로봇에 전원을 공급하는 작은 배터리인 단일 외부 구성 요소를 생산하기만 하면 된다.

Xiaoyu (Rayne) Zheng은 이 연구의 수석 연구원이자 UCLA Samueli 공과 대학의 토목 및 환경 공학, 기계 및 항공 우주 공학 부교수이다.

Zheng은 "스마트 로봇 재료의 이 설계 및 프린팅 방법론은 로봇을 만들기 위한 현재의 복잡한 조립 프로세스를 대체할 수 있는 일종의 자율 재료를 실현하는 데 도움이 될 것으로 생각한다."라고 말했다. "복잡한 동작, 다양한 감지 모드 및 프로그래밍 가능한 의사 결정 기능이 모두 긴밀하게 통합되어 있어 제어된 동작을 실행하기 위해 함께 작동하는 신경, 뼈 및 힘줄이 있는 생물학적 시스템과 유사하다."

잠재적 응용

팀은 온보드 배터리와 컨트롤러를 통합하여 완전 자율 3D 프린팅 로봇을 만들었다. 각 로봇은 손톱만한 크기이며 Zheng에 따르면 이 새로운 방법은 생체의학 로봇을 위한 새로운 디자인으로 이어질 수 있다. 그러한 생물의학 로봇 중 하나는 혈관 근처를 자율적으로 탐색하여 신체의 표적 부위에 약물을 전달하는 수영 로봇이 될 수 있다. 

3D프린팅 봇의 또 다른 응용 프로그램은 무너진 건물과 같은 위험한 환경으로 보내 봇 떼가 좁은 공간에 접근할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 메타봇은 위협 수준을 평가하고 구조 작업을 지원할 수 있다.

현재 로봇의 대부분은 로봇을 구성하기 위해 일련의 복잡한 제조 단계가 필요하기 때문에 이것은 로봇 분야의 주요 돌파구이다. 이 프로세스는 더 무겁고 부피가 크며 약한 로봇을 만든다.

새로운 방법을 개발하기 위해 팀은 전기장에 반응하여 모양과 방향을 변경하는 복잡한 격자 재료 클래스에 의존했다. 그들은 또한 물리적 힘의 결과로 전하를 생성할 수 있다.

로봇 신소재 개발

팀이 개발한 로봇 재료는 동전 크기에 불과하며 고속으로 구부리거나, 비틀고, 팽창하고, 수축하거나, 회전하는 데 도움이 되는 구조적 요소로 구성된다. 

무엇보다도 팀은 로봇 재료를 설계하는 데 사용할 수 있는 방법론을 발표하여 사용자가 자신의 모델을 만들 수 있도록 했다.

Hauchen Cui는 연구의 주 저자이자 Zheng의 적층 제조 및 메타물질 연구실의 UCLA 박사후 연구원이다.

Cui는 "이를 통해 다양한 유형의 지형에서 빠르고 복잡하며 확장된 움직임을 위해 로봇 전체에 작동 요소를 정밀하게 배치할 수 있다."고 말했다. "양방향 압전 효과를 통해 로봇 재료는 왜곡을 자체 감지하고 에코 및 초음파 방출을 통해 장애물을 감지할 뿐만 아니라 로봇이 어떻게 움직이는지, 얼마나 빨리 움직이는지를 결정하는 피드백 제어 루프를 통해 외부 자극에 반응할 수 있다. 이동하고 목표를 향해 이동한다."

팀은 이 방법을 사용하여 서로 다른 기능을 시연하는 세 가지 메타봇을 구축했다.

-S자 모양의 모서리와 무작위로 배치된 장애물을 탐색하는 메타봇 

-접촉 충격에 대응하여 탈출할 수 있는 메타봇

-험한 지형을 걸어가며 작은 점프를 하는 메타봇 

이 새로운 3D프린팅기술은 로봇 공학 분야에서 중요한 역할을 하여 이러한 로봇을 훨씬 더 효율적으로 구성하는 데 도움이 된다.

로봇이 어떻게 구성되고 걷고, 기동하고, 점프할 수 있는지를 보여주는 새로운 연구는 사이언스(Science)에 발표되었다.