Un sistema automatizado desarrollado por investigadores del MIT diseña e imprime en 3D piezas complejas robóticas llamadas actuadores que están optimizados de acuerdo con una enorme cantidad de especificaciones. En resumen, el sistema hace automáticamente lo que es prácticamente imposible para los humanos hacer a mano.
en un artículo publicado en Avances científicos , los investigadores demuestran el sistema fabricando actuadores, dispositivos que controlan mecánicamente los sistemas robóticos en respuesta a señales eléctricas, que muestran diferentes imágenes en blanco y negro en diferentes ángulos. Un actuador, por ejemplo, retrata a Vincent van Goghretrato cuando se coloca plano. Inclina un ángulo cuando se activa, sin embargo, retrata la famosa pintura de Edvard Munch "El grito".
Los actuadores están hechos de un mosaico de tres materiales diferentes, cada uno con un color claro u oscuro diferente y una propiedad, como flexibilidad y magnetización, que controla el ángulo del actuador en respuesta a una señal de control. El software primero se descomponeel diseño del actuador en millones de píxeles tridimensionales, o "vóxeles", cada uno de los cuales se puede llenar con cualquiera de los materiales. Luego, ejecuta millones de simulaciones, llenando diferentes vóxeles con diferentes materiales. Eventualmente, aterriza en la ubicación óptimade cada material en cada vóxel para generar dos imágenes diferentes en dos ángulos diferentes. Una impresora 3-D personalizada fabrica el actuador colocando el material correcto en el vóxel derecho, capa por capa.
"Nuestro objetivo final es encontrar automáticamente un diseño óptimo para cualquier problema, y luego usar el resultado de nuestro diseño optimizado para fabricarlo", dice el primer autor Subramanian Sundaram PhD '18, un ex estudiante graduado en Ciencias de la Computación y ArtificialesLaboratorio de inteligencia CSAIL: "Pasamos de seleccionar los materiales de impresión, a encontrar el diseño óptimo, a fabricar el producto final de una manera casi completamente automatizada".
Las imágenes cambiantes demuestran lo que puede hacer el sistema. Pero los actuadores optimizados para la apariencia y la función también podrían usarse para la biomimética en robótica. Por ejemplo, otros investigadores están diseñando pieles robóticas subacuáticas con conjuntos de actuadores destinados a imitar dentículos en la piel de tiburón. Dentículosse deforman colectivamente para disminuir el arrastre para una natación más rápida y tranquila ". Puede imaginarse robots submarinos que tengan conjuntos completos de actuadores que cubren la superficie de sus pieles, que pueden optimizarse para arrastrar y girar de manera eficiente, y así sucesivamente", dice Sundaram.
Uniéndose a Sundaram en el trabajo están: Melina Skouras, ex postdoc del MIT; David S. Kim, ex investigador del Grupo de Fabricación Computacional; Louise van den Heuvel '14, SM '16; y Wojciech Matusik, profesor asociado del MITen ingeniería eléctrica e informática y jefe del Grupo de Fabricación Computacional.
Navegando la "explosión combinatoria"
Los actuadores robóticos se están volviendo cada vez más complejos. Dependiendo de la aplicación, deben optimizarse para peso, eficiencia, apariencia, flexibilidad, consumo de energía y varias otras funciones y métricas de rendimiento. En general, los expertos calculan manualmente todos esos parámetros para encontrar undiseño óptimo.
Además de esa complejidad, las nuevas técnicas de impresión 3D ahora pueden usar múltiples materiales para crear un producto. Eso significa que la dimensionalidad del diseño se vuelve increíblemente alta ". Lo que queda es lo que se llama una 'explosión combinatoria', dondeesencialmente tiene tantas combinaciones de materiales y propiedades que no tiene la oportunidad de evaluar cada combinación para crear una estructura óptima ", dice Sundaram.
En su trabajo, los investigadores primero personalizaron tres materiales poliméricos con propiedades específicas que necesitaban para construir sus actuadores: color, magnetización y rigidez. Al final, produjeron un material rígido casi transparente, un material flexible opaco utilizado comobisagra, y un material marrón de nanopartículas que responde a una señal magnética. Conectaron todos esos datos de caracterización en una biblioteca de propiedades.
El sistema toma como ejemplos de imagen de entrada en escala de grises, como el actuador plano que muestra el retrato de Van Gogh pero se inclina en un ángulo exacto para mostrar "El grito". Básicamente ejecuta una forma compleja de prueba y error que es algo así como reorganizarun cubo de Rubik, pero en este caso alrededor de 5,5 millones de vóxeles se reconfiguran iterativamente para que coincida con una imagen y se encuentre con un ángulo medido.
Inicialmente, el sistema se basa en la biblioteca de propiedades para asignar aleatoriamente diferentes materiales a diferentes vóxeles. Luego, ejecuta una simulación para ver si esa disposición retrata las dos imágenes de destino, directamente y en ángulo. Si no, obtiene unseñal de error. Esa señal le permite saber qué vóxeles están en la marca y cuáles deben cambiarse. Agregar, quitar y cambiar los vóxeles magnéticos marrones, por ejemplo, cambiará el ángulo del actuador cuando se aplica un campo magnético. Pero, el sistematambién tiene que considerar cómo la alineación de esos vóxeles marrones afectará la imagen.
Voxel por voxel
Para calcular las apariencias del actuador en cada iteración, los investigadores adoptaron una técnica de gráficos por computadora llamada "trazado de rayos", que simula el camino de la luz que interactúa con los objetos. Los haces de luz simulados disparan a través del actuador en cada columna de vóxeles. Los actuadores puedenfabricarse con más de 100 capas de vóxel. Las columnas pueden contener más de 100 vóxeles, con diferentes secuencias de los materiales que irradian un tono de gris diferente cuando es plano o en ángulo.
Cuando el actuador es plano, por ejemplo, el haz de luz puede brillar en una columna que contiene muchos vóxeles marrones, produciendo un tono oscuro. Pero cuando el actuador se inclina, el haz brillará en vóxeles desalineados. Los vóxeles marrones pueden alejarse deel rayo, mientras que los vóxeles más claros pueden desplazarse hacia el rayo, produciendo un tono más claro. El sistema utiliza esa técnica para alinear las columnas de vóxeles oscuras y claras donde deben estar en la imagen plana y en ángulo. Después de 100 millones o más iteraciones, ydesde unas pocas hasta docenas de horas, el sistema encontrará una disposición que se ajuste a las imágenes de destino.
"Estamos comparando cómo se ve esa [columna de vóxel] cuando es plana o cuando está titulada, para que coincida con las imágenes objetivo", dice Sundaram. "Si no, puede intercambiar, digamos, un vóxel claro con uno marrón".. Si eso es una mejora, mantenemos esta nueva sugerencia y hacemos otros cambios una y otra vez "
Para fabricar los actuadores, los investigadores construyeron una impresora 3D personalizada que utiliza una técnica llamada "caída bajo demanda". Los tubos de los tres materiales están conectados a los cabezales de impresión con cientos de boquillas que pueden controlarse individualmente.la impresora dispara una gotita de 30 micrones del material designado en su respectiva ubicación de vóxel. Una vez que la gotita cae sobre el sustrato, se solidifica. De esa manera, la impresora construye un objeto, capa por capa.
El trabajo podría usarse como un trampolín para diseñar estructuras más grandes, como alas de avión, dice Sundaram. Los investigadores, por ejemplo, han comenzado a romper alas de avión en bloques más pequeños similares a vóxeles para optimizar sus diseños de peso y elevación, y otras métricas. "Todavía no podemos imprimir alas ni nada a esa escala, o con esos materiales. Pero creo que este es un primer paso hacia ese objetivo", dice Sundaram.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Rob Matheson. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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