Impresión 3D automatizada de piezas robóticas

Redacción
Viernes, 30 Agosto 2019
Impresión 3D automatizada de piezas robóticas - impresoras 3D

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussetts (MIT) han desarrollado un sistema automatizado que diseña e imprime en 3D piezas robóticas complejas llamadas actuadores que se optimizan de acuerdo con una enorme cantidad de especificaciones y que es virtualmente imposible para los humanos hacer a mano.

En un artículo publicado en 'Science Advances', los investigadores demuestran el sistema mediante la fabricación de 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 un retrato de Vincent van Gogh cuando está plano. Inclinado un ángulo cuando se activa, sin embargo, retrata el famoso cuadro 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 la flexibilidad y la magnetización, que controla el ángulo del actuador en respuesta a una señal de control.

El software primero divide el diseño del actuador en millones de píxeles tridimensionales, o voxels, que pueden rellenarse con cualquiera de los materiales. Luego, ejecuta millones de simulaciones, llenando diferentes voxels con diferentes materiales. Finalmente, aterriza en la ubicación óptima de cada material en cada vóxel para generar dos imágenes diferentes en dos ángulos diferentes. Una impresora 3D personalizada luego fabrica el actuador al colocar 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 la salida de nuestro diseño optimizado para fabricarlo --dice el primer autor Subramanian Sundaram, un ex alumno del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT--. Pasamos de seleccionar los materiales de impresión, a encontrar el diseño óptimo, a fabricar el producto final de forma casi completamente automática".

Los dentículos se deforman colectivamente para disminuir la resistencia para nadar más rápido y silenciosamente. "Se pueden imaginar robots submarinos con conjuntos enteros de actuadores que recubren la superficie de sus pieles, que pueden optimizarse para el arrastre y el giro de manera eficiente, y así sucesivamente", dice Sundaram.

Junto a Sundaram firman el papel Melina Skouras, una ex postdoctoral del MIT; David S. Kim, ex investigador en el Grupo de Fabricación Computacional; Louise van den Heuvel '14, SM'16; y Wojciech Matusik, profesor asociado de MIT en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y jefe del Grupo de Fabricación Computacional.

Los actuadores robóticos cada vez son más complejos. Dependiendo de la aplicación, deben optimizarse para el peso, la eficiencia, la apariencia, la flexibilidad, el consumo de energía y otras funciones y métricas de rendimiento. Generalmente, los expertos calculan manualmente todos esos parámetros para encontrar un diseño óptimo.

Además de esa complejidad, las nuevas técnicas de impresión en 3D ahora pueden usar múltiples materiales para crear un solo producto. Eso significa que la dimensionalidad del diseño se vuelve increíblemente alta. "Lo que te queda es lo que se llama una 'explosión combinatoria', donde esencialmente tienes tantas combinaciones de materiales y propiedades que no tienes 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 opaco flexible utilizado como una bisagra y un material de nanopartículas marrón que responde a una señal magnética. Conectaron todos esos datos de caracterización en una biblioteca de propiedades.

El sistema toma como ejemplo los ejemplos de imágenes 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 reorganizar un Cubo de Rubik, pero en este caso, alrededor de 5,5 millones de voxels se reconfiguran iterativamente para que coincida con una imagen y un ángulo medido.

Inicialmente, el sistema se basa en la biblioteca de propiedades para asignar aleatoriamente diferentes materiales a diferentes voxels. Luego, ejecuta una simulación para ver si esa disposición representa las dos imágenes de destino, en línea recta y en ángulo. Si no, recibe una señal de error.

Esa señal le permite saber qué voxels están en la marca y cuáles deben cambiarse. Agregar, eliminar y cambiar los voxeles magnéticos marrones, por ejemplo, cambiará el ángulo del actuador cuando se aplique un campo magnético. Pero, el sistema también tiene que considerar cómo la alineación de esos voxels marrones afectará la imagen.

Para calcular las apariencias del actuador en cada iteración, los investigadores adoptaron una técnica de gráficos de computadora llamada 'trazado de rayos', que simula la trayectoria de la luz que interactúa con los objetos. Los haces de luz simulados disparan a través del actuador en cada columna de voxels. Los actuadores pueden fabricarse con más de 100 capas de voxel. Las columnas pueden contener más de 100 voxels, con diferentes secuencias de los materiales que irradian un tono de gris diferente cuando son planas o en ángulo.

Para fabricar los actuadores, los investigadores construyeron una impresora 3D personalizada que utiliza una técnica llamada 'drop-on-demand'. Los contenedores de los tres materiales están conectadas a cabezales de impresión con cientos de boquillas que se pueden controlar individualmente. La impresora dispara una gota de 30 micrones del material designado en su ubicación de voxel respectiva. Una vez que la gota 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 las alas de un avión, dice Sundaram. Los investigadores, por ejemplo, han comenzado a dividir las alas de los aviones en bloques más pequeños parecidos a vóxeles para optimizar sus diseños para el peso y la elevación, y otras métricas. "Aún no podemos imprimir alas ni nada en esa escala ni con esos materiales. Pero creo que este es un primer paso hacia esa meta", dice Sundaram.

Las imágenes cambiantes demuestran lo que el sistema puede hacer. Pero los actuadores optimizados para el aspecto y la función también podrían usarse para la biomimetismo en robótica. Por ejemplo, otros investigadores están diseñando pieles robóticas submarinas con matrices de actuadores destinadas a imitar los dentículos en la piel de tiburón.

Etiquetado como: Piezas robóticas
Aplicación: Tecnología