首款由固體和液體制成的3D打印機器人

我們還沒有機器人助理嗡嗡地做我們的家務活動的一個原因是因為制作它們很難。手動組裝機器人非常耗時，而自動化 - 構建其他機器人的機器人 - 尚未進行微調，無法制造能夠執(zhí)行復雜任務的機器人。

但如果人類和機器人無法做到這一點，那么3D打印機呢?

在一篇新論文中，麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)的研究人員展示了第一種3D打印機器人技術，該技術涉及同時打印固體和液體材料。

新方法允許團隊使用市售的3-D打印機，一步完成自動3D打印動態(tài)機器人，無需組裝。

“我們的方法，我們稱之為'可打印的液壓系統(tǒng)'，是朝著快速制造功能性機器邁出的一步，”CSAIL總監(jiān)Daniela Rus說道，他負責監(jiān)督該項目并共同編寫了該論文。“你所要做的就是堅持使用電池和電機，而你的機器人幾乎可以直接走出打印機。”

為了展示這一概念，研究人員3-D打印了一個小型六足機器人，可通過嵌入其體內的12個液壓泵進行爬行。它們還可以在現(xiàn)有平臺上使用3D打印機器人部件，例如用于Baxter研究機器人的軟橡膠手。

該論文最近被接納為今年夏天的IEEE國際機器人與自動化大會(ICRA)，由麻省理工學院博士后Robert MacCurdy和博士候選人Robert Katzschmann以及哈佛大學本科生Youbin Kim共同撰寫。

對于3D打印的所有進步，液體仍然是一個很大的障礙。印刷液體是一個混亂的過程，這意味著大多數(shù)方法需要額外的后印刷步驟，例如將其熔化或讓人手動刮擦它。該步驟使得基于液體的方法難以用于工廠規(guī)模的制造。

通過“可印刷液壓裝置”，噴墨打印機可以沉積直徑為20至30微米或小于人類頭發(fā)寬度一半的單個材料液滴。打印機從下向上逐層進行。對于每一層，打印機在不同的部分沉積不同的材料，然后使用高強度的紫外線固化所有材料(當然，減去液體)。打印機使用多種材料，但在更基本的層面上，每層由“光聚合物”(一種固體)和“非固化材料”(液體)組成。

“噴墨打印讓我們有八個不同的打印頭可以同時存放不同的材料，”MacCurdy說。“它為我們提供了非常精細的材料放置控制，這使我們能夠打印出復雜的預填充流體通道。”

3D打印液體的另一個挑戰(zhàn)是它們經常干擾應該固化的液滴。為了解決這個問題，該團隊打印了數(shù)十種具有不同方向的測試幾何圖形，以確定將固體和液體一起打印的正確分辨率。

雖然這是一個艱苦的過程，但MacCurdy表示，使用其他3D打印方法(如熔融沉積成型和激光燒結)更難以打印液體和固體。

“就我而言，”他說，“噴墨打印是目前打印多種材料的最佳方式。”

為了展示他們的方法，研究人員3-D打印了一個重量約1.5磅且長度小于6英寸的小型六足機器人。為了移動，單個直流電機旋轉曲軸，將流體泵送到機器人的腿部。除了電機和電源外，每個組件都可以一步打印，無需組裝。

在機器人的關鍵部件中有幾組“波紋管”，它們直接在其身體上進行3D打印。為了推進機器人，波紋管使用流體壓力，然后將其轉換為機械力。(作為波紋管的替代品，該團隊還證明他們可以3D打印一個可以產生連續(xù)流體流動的齒輪泵。)

最后，3-D團隊用流體驅動的手指印刷了硅橡膠機器人手。這款“軟抓手”是為Baxter開發(fā)的，這是一款由前CSAIL導演羅德尼布魯克斯設計的機器人，是他的衍生公司Rethink Robotics的一部分。

“CSAIL團隊不僅通過印刷不同的聚合物或金屬混合物，而且基本上是一個獨立的工作液壓系統(tǒng)，將多材料印刷提升到了一個新的水平，” 哥倫比亞大學工程學教授Hod Lipson說。大學和“制造：三維打印的新世界”的合著者。“這是邁向下一個3D打印大階段的重要一步 - 從打印無源部件轉向打印有源集成系統(tǒng)。”

與任何多材料3-D噴墨打印機兼容，“可打印液壓”允許可定制的設計模板，可以創(chuàng)建不同尺寸，形狀和功能的機器人。

“如果你有一個爬行機器人，你想要跨越更大的東西，你可以在幾分鐘內調整設計，”MacCurdy說。“將來，該系統(tǒng)根本不需要任何人為輸入; 你可以按幾個按鈕，它會自動進行更改。“

MacCurdy設想了許多潛在的應用，包括在危險環(huán)境中的救災。例如，許多核場址需要進行補救以降低其輻射水平。不幸的是，這些網站不僅對人類是致命的，而且對放射性足以摧毀傳統(tǒng)電子產品。

“像這樣的可印刷機器人可以快速，廉價地制造，比傳統(tǒng)機器人更少的電子元件，”MacCurdy說。

該團隊渴望進一步發(fā)展他們的工作。雖然六足機器人的22小時打印時間因其復雜性而相對較短，但研究人員表示，未來的硬件改進將提高速度。

“加速這一過程不僅取決于我們技術的細節(jié)，而更多地取決于打印機本身的工程和分辨率，”麻省理工學院電子工程和計算機科學的維特比教授Rus說。“打印最終需要與打印機一樣長，因此隨著打印機的改進，制造能力也會提高。”

這不是羅斯集團首次涉足3D打印機器人。在過去的秋天，她的團隊開發(fā)了一個類似的抓手，而在2014年，他們創(chuàng)造了一個可以穿過管道并抓住物體的手臂。但是，在這些項目仍然需要多個非3D打印物體的情況下，“可打印液壓系統(tǒng)”更接近于一步打印所有組件。

羅斯說：“建造機器人不一定像過去一樣耗費時間和人力。” “3D打印提供了前進的方向，使我們能夠自動生產復雜，功能性，液壓驅動的機器人，可以立即使用。”

該團隊的工作部分由科學基金會資助。