Un sistema automatizado desarrollado por investigadores del MIT diseña e imprime en 3-D piezas robóticas complejas llamadas actuadores que se optimizan de acuerdo con una enorme cantidad de especificaciones. En breve, el sistema hace automáticamente lo que es virtualmente imposible para los humanos hacer a mano.

En un artículo publicado en Avances de la ciencia , 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 acostado. Inclinado un ángulo cuando está activado 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 descompone el diseño del actuador en millones de píxeles tridimensionales, o "voxels, "que se pueden llenar 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. Luego, una impresora 3D personalizada fabrica el actuador dejando caer el material correcto en el vóxel correcto, capa por capa.

"Nuestro objetivo final es encontrar automáticamente un diseño óptimo para cualquier problema, y luego utilizar la salida de nuestro diseño optimizado para fabricarlo, "dice el primer autor Subramanian Sundaram Ph.D. '18, ex estudiante de posgrado en el Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL). "Pasamos de seleccionar los materiales de impresión, para encontrar el diseño óptimo, a fabricar el producto final de forma casi completamente automatizada ".

Las imágenes cambiantes demuestran lo que puede hacer el sistema. Pero los actuadores optimizados para apariencia y función también podrían usarse para biomimetismo en robótica. Por ejemplo, otros investigadores están diseñando pieles robóticas submarinas con conjuntos de actuadores destinados a imitar los dentículos de la piel de tiburón. Los dentículos se deforman colectivamente para disminuir el arrastre y acelerar, natación más tranquila. "Puedes imaginar robots submarinos con conjuntos completos de actuadores que recubren la superficie de sus pieles, que se puede optimizar para arrastrar y girar de manera eficiente, etcétera, "Dice Sundaram.

Junto a Sundaram en el papel están:Melina Skouras, un ex postdoctorado 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 MIT en ingeniería eléctrica e informática y director del Grupo de Fabricación Computacional.

Navegando por la "explosión combinatoria"

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

Agregando a esa complejidad, Las nuevas técnicas de impresión 3-D ahora pueden usar múltiples materiales para crear un 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 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. En el final, produjeron un material rígido casi transparente, un material flexible opaco utilizado como bisagra, y un material de nanopartículas de color marrón que responde a una señal magnética. Conectaron todos esos datos de caracterización en una biblioteca de propiedades.

El sistema toma como entrada 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 vóxeles se reconfiguran iterativamente para que coincidan con una imagen y cumplan 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, recto y en ángulo. Que no, recibe una señal de error. Esa señal le permite saber qué vóxeles están en la marca y cuáles deben cambiarse. Añadiendo, quitando, y moviéndose alrededor de vóxeles magnéticos marrones, por ejemplo, cambiará el ángulo del actuador cuando se aplica un campo magnético. Pero, el sistema también tiene que considerar cómo la alineación de esos vóxeles marrones afectará a 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 la trayectoria de la luz que interactúa con los objetos. Los haces de luz simulados se disparan a través del actuador en cada columna de vóxeles. Los actuadores se pueden fabricar con más de 100 capas de vóxeles. Las columnas pueden contener más de 100 vóxeles, con diferentes secuencias de los materiales que irradian un tono de gris diferente cuando están planos o en ángulo.

Cuando el actuador está plano, por ejemplo, el haz de luz puede brillar sobre una columna que contiene muchos vóxeles marrones, produciendo un tono oscuro. Pero cuando el actuador se inclina, el rayo brillará sobre vóxeles desalineados. Los vóxeles marrones pueden alejarse del haz, mientras que los vóxeles más claros pueden desplazarse hacia el haz, produciendo un tono más claro. El sistema utiliza esa técnica para alinear columnas de vóxeles claras y oscuras donde deben estar en la imagen plana y en ángulo. Después de 100 millones o más de iteraciones, y desde unas pocas hasta decenas de horas, el sistema encontrará una disposición que se ajuste a las imágenes de destino.

"Estamos comparando cómo se ve esa [columna de vóxeles] cuando es plana o cuando se titula, para que coincida con las imágenes de destino, "Sundaram dice." Si no, puedes intercambiar, decir, 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 "drop-on-demand". Los tubos de los tres materiales están conectados a los 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 respectiva ubicación de vóxel. Una vez que la gota aterriza en el sustrato, está solidificado. De ese modo, 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. Investigadores por ejemplo, De manera similar, han comenzado a descomponer las alas de los aviones en bloques más pequeños similares a vóxeles para optimizar sus diseños para el peso y la sustentación, y otras métricas. "Todavía no podemos imprimir alas ni nada en esa escala, o con esos materiales. Pero creo que este es un primer paso hacia ese objetivo, "Dice Sundaram.