Ett automatiserat system utvecklat av MIT-forskare designar och 3-D-printar komplexa robotdelar som kallas ställdon som är optimerade enligt ett enormt antal specifikationer. Kortfattat, systemet gör automatiskt det som är praktiskt taget omöjligt för människor att göra för hand.

I en tidning publicerad i Vetenskapens framsteg , forskarna demonstrerar systemet genom att tillverka ställdon – enheter som mekaniskt styr robotsystem som svar på elektriska signaler – som visar olika svart-vita bilder i olika vinklar. Ett ställdon, till exempel, porträtterar ett Vincent van Gogh-porträtt när det ligger platt. Lutas en vinkel när den är aktiverad, dock, den porträtterar den berömda Edvard Munch-målningen "Skriet".

Ställdonen är gjorda av ett lapptäcke av tre olika material, var och en med olika ljus eller mörk färg och en egenskap – som flexibilitet och magnetisering – som styr ställdonets vinkel som svar på en styrsignal. Programvaran bryter först ner ställdonets design i miljontals tredimensionella pixlar, eller "voxels, " som var och en kan fyllas med vilket material som helst. Sedan, den kör miljontals simuleringar, fylla olika voxlar med olika material. Så småningom, den landar på den optimala placeringen av varje material i varje voxel för att generera två olika bilder i två olika vinklar. En anpassad 3-D-skrivare tillverkar sedan ställdonet genom att släppa rätt material i rätt voxel, lager på lager.

"Vårt slutmål är att automatiskt hitta en optimal design för alla problem, och sedan använda resultatet av vår optimerade design för att tillverka den, " säger första författaren Subramanian Sundaram Ph.D. '18, en tidigare doktorand i datavetenskap och artificiell intelligens Laboratory (CSAIL). "Vi går från att välja tryckmaterial, för att hitta den optimala designen, att tillverka den slutliga produkten på ett nästan helt automatiserat sätt."

De skiftande bilderna visar vad systemet kan göra. Men manöverdon optimerade för utseende och funktion skulle också kunna användas för biomimik inom robotik. Till exempel, andra forskare designar undervattensrobotskinn med manöveranordningar avsedda att efterlikna dentiklar på hajhud. Dentiklarna deformeras kollektivt för att minska motståndet för snabbare, lugnare simning. "Du kan föreställa dig undervattensrobotar som har hela uppsättningar av manöverdon som täcker ytan på deras skinn, som kan optimeras för att dra och svänga effektivt, och så vidare, " säger Sundaram.

Med Sundaram på tidningen är:Melina Skouras, en före detta MIT postdoc; David S. Kim, en tidigare forskare i Computational Fabrication Group; Louise van den Heuvel '14, SM '16; och Wojciech Matusik, en MIT docent i elektroteknik och datavetenskap och chef för Computational Fabrication Group.

Navigera i den "kombinatoriska explosionen"

Robotaktuatorer blir idag allt mer komplexa. Beroende på applikation, de måste vara optimerade för vikt, effektivitet, utseende, flexibilitet, Energiförbrukning, och olika andra funktioner och prestandamått. Rent generellt, experter beräknar manuellt alla dessa parametrar för att hitta en optimal design.

Lägger till den komplexiteten, nya 3D-utskriftstekniker kan nu använda flera material för att skapa en produkt. Det betyder att designens dimensionalitet blir otroligt hög. "Det du har kvar är vad som kallas en 'kombinatorisk explosion, ' där du i princip har så många kombinationer av material och egenskaper att du inte har en chans att utvärdera varje kombination för att skapa en optimal struktur, " säger Sundaram.

I sitt arbete, forskarna anpassade först tre polymermaterial med specifika egenskaper som de behövde för att bygga sina ställdon:färg, magnetisering, och stelhet. I slutet, de producerade ett nästan genomskinligt styvt material, ett ogenomskinligt flexibelt material som används som gångjärn, och ett brunt nanopartikelmaterial som svarar på en magnetisk signal. De kopplade in all karaktäriseringsdata i ett fastighetsbibliotek.

Systemet tar som indata gråskalebildexempel - som det platta ställdonet som visar Van Gogh-porträttet men lutar i en exakt vinkel för att visa "Skriket". Det utför i princip en komplex form av försök och fel som är ungefär som att arrangera om en Rubiks kub, men i det här fallet omkonfigureras cirka 5,5 miljoner voxlar iterativt för att matcha en bild och möta en uppmätt vinkel.

Initialt, systemet hämtar från egenskapsbiblioteket för att slumpmässigt tilldela olika material till olika voxlar. Sedan, den kör en simulering för att se om det arrangemanget visar de två målbilderna, rakt på och i vinkel. Om inte, den får en felsignal. Den signalen låter den veta vilka voxlar som finns på märket och vilka som bör ändras. Lägger till, ta bort, och växlar runt bruna magnetiska voxlar, till exempel, kommer att ändra ställdonets vinkel när ett magnetiskt fält appliceras. Men, systemet måste också överväga hur justering av dessa bruna voxlar kommer att påverka bilden.

Voxel för voxel

För att beräkna ställdonets utseende vid varje iteration, forskarna använde en datorgrafikteknik som kallas "ray-tracing, " som simulerar ljusets väg som interagerar med objekt. Simulerade ljusstrålar skjuter genom ställdonet vid varje kolumn av voxlar. Ställdon kan tillverkas med mer än 100 voxellager. Kolumner kan innehålla mer än 100 voxlar, med olika sekvenser av materialen som utstrålar en annan nyans av grått när de är platt eller i vinkel.

När ställdonet är plant, till exempel, ljusstrålen kan lysa ner på en kolumn som innehåller många bruna voxlar, ger en mörk ton. Men när ställdonet lutar, strålen kommer att lysa på feljusterade voxlar. Bruna voxlar kan flyttas bort från strålen, medan tydligare voxlar kan flyttas in i strålen, ger en ljusare ton. Systemet använder den tekniken för att justera mörka och ljusa voxelkolonner där de behöver vara i den platta och vinklade bilden. Efter 100 miljoner eller fler iterationer, och allt från några till dussintals timmar, systemet kommer att hitta ett arrangemang som passar målbilderna.

"Vi jämför hur den där [voxel-kolumnen] ser ut när den är platt eller när den har rubriken, för att matcha målbilderna, " säger Sundaram. "Om inte, du kan byta, säga, en tydlig voxel med en brun. Om det är en förbättring, vi behåller detta nya förslag och gör andra ändringar om och om igen."

För att tillverka ställdonen, forskarna byggde en anpassad 3D-skrivare som använder en teknik som kallas "drop-on-demand". Badkar av de tre materialen är anslutna till skrivhuvuden med hundratals munstycken som kan styras individuellt. Skrivaren avfyrar en droppe i storleken 30 mikron av det angivna materialet till sin respektive voxelplats. När droppen landar på underlaget, det har stelnat. På det sättet, skrivaren bygger ett objekt, lager på lager.

Verket skulle kunna användas som en språngbräda för att designa större strukturer, såsom flygplansvingar, säger Sundaram. Forskare, till exempel, har på liknande sätt börjat bryta ner flygplansvingar till mindre voxelliknande block för att optimera deras design för vikt och lyft, och andra mätvärden. "Vi kan ännu inte skriva ut vingar eller något i den skalan, eller med dessa material. Men jag tror att detta är ett första steg mot det målet, " säger Sundaram.