Напечатанная на 3D-принтере роборука прошла первый уровень в Super Mario

Американские инженеры применили технологию 3D-печати PolyJet для постройки прототипов роботов из полимерных материалов. Благодаря возможности печати одновременно несколькими фотополимерами эта технология позволяет создавать сложные конструкции из нескольких полимерных материалов с разными свойствами за один сеанс печати, что уменьшает объемы последующей ручной работы и повышает скорость разработки. Сначала инженеры разработали и напечатали несколько элементов струйной логики: диод и транзисторы, работающие за счет гидравлики и пневматики, а затем продемонстрировали их применение в схемах управления гидропневматических роботов, имитирующих черепаху, и в трехпалой роборуке, которую инженеры использовали для управления геймпадом игровой приставки NES. Используя заранее написанную программу, управляющую нажатиями пальцев роборуки на кнопки контроллера в заданные моменты времени, инженеры смогли пройти первый уровень игры Super Mario Bros. Статья опубликована в журнале Science Advances. 

Инженеры давно работают над созданием роботов, конструкция которых состоит из мягких материалов, благодаря чему их можно использовать, когда требуется осторожное и безопасное взаимодействие с окружением и человеком, например в медицине. Гибкость и податливость обеспечивают большое число степеней свободы и позволяют подстраиваться под сложные поверхности при взаимодействии с ними. Используя это свойство, например, инженеры создали манипулятор в виде щупальца, который способен захватывать предметы сложной формы, обвиваясь вокруг них.

Для приведения в движение устройств, в конструкции которых используются мягкие материалы, способные деформироваться под действием прикладываемого к ним изнутри давления, зачастую применяют гидравлику и пневматику. А для того чтобы избежать необходимости размещать электронику на борту робота, инженеры пытаются использовать гидравлику и пневматику также и в системах управления. На основе систем клапанов и трубопроводов они создают схемы струйной логики, которые по своему назначению аналогичны электрическим и электронным схемам, но работают за счет потока жидкости или газа.

В большинстве случаев элементы конструкции и струйные схемы разрабатываемых прототипов роботов создаются вручную. Это отнимает много времени, а характеристики готовых устройств могут варьироваться от образца к образцу. Поэтому американские инженеры под руководством Райана Сохола (Ryan Sochol) из Мэрилендского университета в Колледж-Парке решили автоматизировать этап постройки прототипов и предложили использовать технологию 3D-печати PolyJet компании Stratasys, которая позволяет создавать трехмерные объекты одновременно из нескольких типов фотополимерных материалов с разными характеристиками.

Кроме полимеров разной жесткости принтер может также печатать вспомогательный поддерживающий водорастворимый слой, который служит опорой для отдельных частей печатаемой конструкции и позволяет строить детали сложной формы с полостями и подвижными элементами внутри них за один сеанс печати. В дальнейшем этот временный материал удаляется с готовой конструкции вручную или с помощью промывочной машины.

Так как в процессе печати используются сразу несколько различных материалов одновременно, инженеры получили возможность печатать прототипы роботов, состоящие из материалов разной жесткости, вместе с  системами управления, а не создавать их отдельно друг от друга. Это значительно сокращает время на изготовление прототипов.

Чтобы продемонстрировать возможности технологии, инженеры сначала разработали и напечатали несколько элементов для струйных схем управления: струйный диод и транзисторы. Диод представляет собой устройство со входом, выходом и полостью, внутри которой расположен свободноплавающий клапан с уплотнительным кольцом из гибкого полимерного материала на верхней стороне. Когда давление подается на вход диода, клапан остается на дне полости и не препятствует протеканию жидкости или газа с входа на выход. Однако, если поменять направление потока в обратном направлении, то клапан прижимается уплотнительным кольцом к потолку полости, перекрывая собой отверстие и блокируя поток.

Другим флюидным устройством стал элемент, имитирующий MOSFET транзистор. Он, так же как и электронный аналог, имеет исток, сток и затвор, который управляет протеканием жидкости или газа через флюидный элемент. Затвор разделяет полости управляющего и управляемого потоков и состоит из двух круглых диафрагм, соединенных стержнем.

Инженеры изготовили два варианта струйного транзистора: первый открыт до тех пор, пока давление, приложенное к диафрагме затвора, не перекрывает поток между истоком и стоком, воздействуя на закрывающий клапан. Второй вариант транзистора изначально закрыт давлением жидкости или газа, поступающих на вход элемента, и открывается только при определенных значениях давления, прилагаемого к диафрагме управляющего затвора. Величины давлений, необходимых для открытия и закрытия флюидных транзисторов, можно подстраивать, подбирая соотношение диаметров диафрагм затвора.

Созданные логические элементы инженеры использовали в нескольких струйных схемах для управления небольшими роботами. К примеру, они изготовили двух робочерепах. Одна из них управляется от источника, создающего постоянный поток жидкости, который с помощью схемы из нескольких транзисторов и диодов подается попеременно в конечности робота, заставляя их периодически сгибаться и разгибаться. Флюидная схема второго робота использует источник с переменным давлением, под действием которого робот совершает передними конечностями периодические движения, имитирующие гребки ласт морской черепахи.

Также инженеры продемонстрировали возможность использовать напечатанные струйные логические схемы для выполнения заранее запрограммированных действий нескольких актуаторов с помощью только одного управляющего сигнала. Для этого разработчики напечатали роборуку с тремя мягкими пальцами, каждый из которых состоит из трех фаланг и двух «суставов», сгибающихся под действием нагнетаемого давления.

Схема управления роборукой построена на открытых в нормальном состоянии струйных транзисторах, параметры которых подобраны таким образом, чтобы они активировались при разных уровнях давления на диафрагмы затворов. Для управления транзисторами используется поток воздуха с изменяемым давлением, в то время как активация пальцев происходит за счет второго источника постоянного давления. При нулевом управляющем давлении транзисторы не пропускают воздух в пальцы. При малом управляющем давлении активируется транзистор, перенаправляющий давление в первый палец. Два других пальца активируются последовательно друг за другом при среднем и высоком значениях управляющего давления. Таким образом, изменяя только величину управляющего давления можно активировать все три пальца роборуки одновременно.

Разработчики разместили роборуку в держателе над контроллером игровой приставки Nintendo Entertainment System, при этом каждый из трех пальцев оказался над одной из клавиш управления. Далее, по заранее написанной программе в реальном времени происходит активация робопальцев, которые нажимают на клавиши геймпада, отвечающие за действия персонажа игры: движение вправо, быстрый бег и прыжок. В результате управляемый роборукой персонаж игры Super Mario Bros, которую разработчики выбрали для эксперимента, смог успешно добраться до конца первого уровня.

Ранее мы рассказывали о прототипе созданного американскими инженерами шагающего пневматического робота, в котором также применяются элементы струйной логики. Он способен передвигаться автономно, используя сжатый газ из баллона, а также изменять направление движения при встрече с препятствиями.

Андрей Фокин