La stampa 3D per produrre robot “simili a insetti” morbidi e flessibili che camminano

I RICERCATORI DELL’UNIVERSITÀ DELLA CALIFORNIA DI SAN DIEGO UTILIZZANO LA STAMPA 3D PER CREARE ROBOT SOFT “SIMILI A INSETTI”

I ricercatori dell’Università della California di San Diego hanno utilizzato la stampa 3D per produrre robot “simili a insetti” morbidi e flessibili che camminano.

La tecnica di produzione additiva attenta al budget utilizzata per creare i robot potrebbe ridurre il costo di ingresso per la stampa 3D della robotica leggera e aprire nuove applicazioni per la tecnologia in luoghi non sicuri per l’uomo, come la navigazione in zone di disastro o di guerra.

“Speriamo che questi flexoscheletri portino alla creazione di una nuova classe di robot morbidi e bioispirati”, ha dichiarato Nick Gravish, professore di ingegneria meccanica presso la Jacobs School of Engineering presso la UC San Diego. “Vogliamo rendere i robot soft più facili da costruire per i ricercatori di tutto il mondo.”

Rendere più accessibile la robotica soft per la stampa 3D

Una delle principali sfide della produzione di robotica ispiratrice di insetti, secondo i ricercatori, è ricreare la complessità della meccanica strutturale dell’esoscheletro. Il guscio esterno deve ricoprire più ruoli, tra cui supporto strutturale, flessibilità articolare e protezione del corpo , fornendo allo stesso tempo caratteristiche funzionali di superficie per rilevamento, presa e adesione.

Ciò che il team di ricerca di San Diego ha osservato è che la mobilità degli arti degli insetti è determinata da una disposizione di elementi di rigidità rigida, morbida e graduata e l’esoscheletro dell’insetto è una struttura ibrida di parti meccaniche rigide e morbide. Le iterazioni future richiederebbero quindi un approccio ibrido alla costruzione, al fine di riflettere meglio i modelli di insetti su cui si basano.

I precedenti tentativi di creare robot ispirati agli insetti avevano richiesto l’accesso a stampanti 3D multi-materiale e processi di fusione a più fasi. Scienziati dell’Università di Rochesterper esempio, nel 2015 ha creato insetti robot saltatori ispirati al cavaliere d’acqua. Secondo i ricercatori di San Diego, tali robot di ispirazione bio tendevano ad assomigliare di più alle loro controparti robot industriali rigide, costituite da collegamenti inflessibili e rapporto rigido elevato motori. Più recentemente, i robot hanno iniziato a includere intenzionalmente la conformità del corpo e degli arti nei progetti di robot, utilizzando la stampa 3D multi-materiale, il taglio laser, la laminazione e la fusione dello stampo. Queste tecniche di produzione presentano anche degli svantaggi, poiché spesso comportano l’accesso a strumenti di fabbricazione costosi e dispendiosi in termini di tempo che offrono una selezione limitata di materiale.

Per consentire loro di stampare in 3D esoscheletri flessibili e resistenti in un modo più economico, il team di ricerca ha ideato un nuovo approccio ibrido chiamato stampa flessoscheletro. L’uso di stampanti 3D Fused Deposition Modeling (FDM) e materiali standard per filamenti come l’acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS), hanno reso il metodo più economico e più accessibile. Inoltre, la nuova tecnica varia dagli approcci tradizionali alla produzione di robot morbidi, dalla stampa 3D di filamenti rigidi direttamente su un film termoplastico riscaldato. Questo approccio fornisce uno strato di base flessibile ma resistente al materiale depositato e consente un controllo preciso sulla rigidità e le proprietà di giunti e puntoni all’interno del corpo del robot.

Nella stampa FDM standard, un filamento di plastica come ABS o acido polilattico (PLA) viene estruso attraverso l’apertura di un ugello riscaldato e depositato su una superficie di stampa piana. Il processo flexoskeleton, d’altra parte, utilizza Prusa i3 MK3S modificate o le stampanti 3D LulzBot Taz 6 FDM, per depositare il filamento direttamente su uno strato di base termoplastico riscaldato. Ciò si traduce in un’elevata forza di adesione tra il materiale depositato e la base inestensibile e flessibile, offrendo una migliore resistenza alla fatica. Il processo di incollaggio per la stampa flessoscheletrica non richiede adesivi o agenti di indurimento aggiuntivi, poiché il filamento viene direttamente legato allo strato di base durante l’estrusione.

Per testare la resistenza e la resistenza alla fatica dei componenti prodotti, il team ha fabbricato travi flessibili con geometrie rettangolari uniformi. Ogni raggio è stato piegato a uno stato di stress costante e mantenuto questa posizione per 10 secondi per simulare scenari in cui le gambe del robot sono piegate e tenute in posizione per il supporto del carico. Il team di ricerca ha quindi misurato l’angolo di scorrimento del raggio, acquisendo un’immagine dell’angolo di deflessione del raggio senza carico, che è stato misurato dalla posizione neutra prima del test. Aggiungendo uno strato di policarbonato (PC), i ricercatori di San Diego hanno scoperto di essere in grado di ridurre del 70% la deformazione di scorrimento dei raggi stampati in 3D, per un periodo di 300 cicli di carico.

Per dimostrare le capacità di deambulazione dei robot prodotti con il metodo di produzione del flexoscheletro, il team ha realizzato un robot a quattro zampe con tendine guidato dal tendine. Progettato e assemblato usando arti prodotti interamente in flexoskeleton, il telaio del robot era azionato da quattro micro servi. Le singole gambe, lunghe 70 mm, impiegavano 30 minuti ciascuna per la stampa 3D e presentavano due giunti: una flessione e un’estensione. Una volta che l’intero robot era stato prodotto (impiegando circa tre ore), ogni arto veniva inserito nel telaio del robot (corpo) e collegato con un micro servo attraverso un singolo tendine e un argano. Il prodotto finito presentava gambe intercambiabili, progettate per diversi terreni, e il robot completato era in grado di raggiungere una velocità di quasi 5 cm al secondo durante i test.

Non solo la struttura esterna del robot flexoskelton è stata in grado di proteggere i suoi componenti interni, ma la sua miscela di componenti morbidi e rigidi ha permesso di produrlo in una complessa disposizione 3D. L’innovativa tecnica di produzione utilizzata per creare il bot potrebbe consentire la produzione di nuovi robot multifunzionali, da utilizzare in un ambiente di fabbrica, secondo Gravish.

“L’obiettivo finale è quello di creare una catena di montaggio che stampi interi robot flexoscheletro senza necessità di assemblaggio manuale. Uno sciame di questi piccoli robot potrebbe fare tanto lavoro quanto un enorme robot da solo o più “, ha detto Gravish.

La ricerca sulla produzione additiva di robotica leggera ha assunto una varietà di forme negli ultimi anni. Nel gennaio 2020, ad esempio, i ricercatori della Cornell University hanno sviluppato un muscolo robotico stampato in 3D in grado di “sudare”. Utilizzando resine composite composte a base di idrogel e stereolitografia (SLA), sono stati prodotti attuatori morbidi, simili a dita, in grado di trattenere l’acqua e rispondere alla temperatura.

Nell’agosto 2019, i ricercatori dell’Università di Tecnologia di Delft (TU Delft), nei Paesi Bassi, hanno creato sensori stampati in 3D multicolori per aiutare l’autocoscienza e l’adattabilità dei robot morbidi. Innovando un metodo di rilevamento stampato in 3D flessibile e incorporato, i ricercatori hanno aumentato le interazioni tra robot e oggetto.

Una coppia di ricercatori della NASA ha annunciato di aver utilizzato la stampa 3D per produrre un attuatore robotico morbido a maggio 2019. Il nuovo componente, che era responsabile per l’animazione e il controllo delle parti mobili del robot, rappresentava un passo importante verso lo spostamento della robotica nello spazio.

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