Um sistema automatizado desenvolvido por pesquisadores do MIT projeta e imprime peças robóticas complexas chamadas atuadores, que são otimizadas de acordo com um grande número de especificações. Resumidamente, o sistema faz automaticamente o que é virtualmente impossível para os humanos fazerem manualmente.

Em um artigo publicado em Avanços da Ciência , os pesquisadores demonstram o sistema fabricando atuadores - dispositivos que controlam mecanicamente sistemas robóticos em resposta a sinais elétricos - que mostram diferentes imagens em preto e branco em diferentes ângulos. Um atuador, por exemplo, retrata um retrato de Vincent van Gogh quando deitado. Inclinado um ângulo quando é ativado, Contudo, retrata o famoso quadro de Edvard Munch "O Grito".

Os atuadores são feitos de uma colcha de retalhos de três materiais diferentes, cada um com uma cor clara ou escura diferente e uma propriedade - como flexibilidade e magnetização - que controla o ângulo do atuador em resposta a um sinal de controle. O software primeiro divide o design do atuador em milhões de pixels tridimensionais, ou "voxels, "cada um pode ser preenchido com qualquer um dos materiais. Então, ele executa milhões de simulações, preenchendo diferentes voxels com diferentes materiais. Eventualmente, ele pousa no posicionamento ideal de cada material em cada voxel para gerar duas imagens diferentes em dois ângulos diferentes. Uma impressora 3-D personalizada então fabrica o atuador, colocando o material certo no voxel certo, camada por camada.

"Nosso objetivo final é encontrar automaticamente um design ideal para qualquer problema, e usar o resultado de nosso design otimizado para fabricá-lo, "diz o primeiro autor Subramanian Sundaram Ph.D. '18, ex-aluno de pós-graduação do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL). "Partimos da seleção dos materiais de impressão, para encontrar o design ideal, para fabricar o produto final de uma forma quase totalmente automatizada. "

As imagens inconstantes demonstram o que o sistema pode fazer. Mas os atuadores otimizados para aparência e função também podem ser usados ​​para biomimética em robótica. Por exemplo, outros pesquisadores estão projetando peles robóticas subaquáticas com matrizes de atuadores destinadas a imitar dentículos na pele de tubarão. Os dentículos se deformam coletivamente para diminuir o arrasto e mais rápido, natação mais silenciosa. "Você pode imaginar robôs subaquáticos com conjuntos inteiros de atuadores revestindo a superfície de suas peles, que pode ser otimizado para arrastar e virar de forma eficiente, e assim por diante, "Diz Sundaram.

Participam do jornal Sundaram:Melina Skouras, um ex-pós-doutorado do MIT; David S. Kim, um ex-pesquisador do Grupo de Fabricação Computacional; Louise van den Heuvel '14, SM '16; e Wojciech Matusik, professor associado do MIT em engenharia elétrica e ciência da computação e chefe do Grupo de Fabricação Computacional.

Navegando na "explosão combinatória"

Atuadores robóticos hoje estão se tornando cada vez mais complexos. Dependendo da aplicação, eles devem ser otimizados para peso, eficiência, aparência, flexibilidade, consumo de energia, e várias outras funções e métricas de desempenho. Geralmente, especialistas calculam manualmente todos esses parâmetros para encontrar um design ideal.

Adicionando a essa complexidade, novas técnicas de impressão 3D agora podem usar vários materiais para criar um produto. Isso significa que a dimensionalidade do design se torna incrivelmente alta. "O que resta é o que é chamado de 'explosão combinatória, 'onde você essencialmente tem tantas combinações de materiais e propriedades que você não tem a chance de avaliar cada combinação para criar uma estrutura ideal, "Diz Sundaram.

Em seu trabalho, os pesquisadores primeiro personalizaram três materiais poliméricos com propriedades específicas de que precisavam para construir seus atuadores:cor, magnetização, e rigidez. No fim, eles produziram um material rígido quase transparente, um material opaco flexível usado como dobradiça, e um material de nanopartícula marrom que responde a um sinal magnético. Eles conectaram todos os dados de caracterização em uma biblioteca de propriedades.

O sistema toma como entrada exemplos de imagens em tons de cinza - como o atuador plano que exibe o retrato de Van Gogh, mas se inclina em um ângulo exato para mostrar "O Grito". Basicamente, ele executa uma forma complexa de tentativa e erro que é parecida com a reorganização de um cubo de Rubik, mas, neste caso, cerca de 5,5 milhões de voxels são reconfigurados iterativamente para corresponder a uma imagem e encontrar um ângulo medido.

Inicialmente, o sistema extrai da biblioteca de propriedade para atribuir aleatoriamente diferentes materiais a diferentes voxels. Então, ele executa uma simulação para ver se esse arranjo retrata as duas imagens alvo, em linha reta e em ângulo. Se não, ele recebe um sinal de erro. Esse sinal permite saber quais voxels estão na marca e quais devem ser alterados. Adicionando, removendo, e mudando em torno de voxels magnéticos marrons, por exemplo, irá alterar o ângulo do atuador quando um campo magnético for aplicado. Mas, o sistema também deve considerar como o alinhamento desses voxels marrons afetará a imagem.

Voxel por voxel

Para calcular as aparências do atuador em cada iteração, os pesquisadores adotaram uma técnica de computação gráfica chamada "ray-tracing, "que simula o caminho da luz interagindo com os objetos. Feixes de luz simulados disparam através do atuador em cada coluna de voxels. Os atuadores podem ser fabricados com mais de 100 camadas de voxels. As colunas podem conter mais de 100 voxels, com diferentes sequências de materiais que irradiam um tom diferente de cinza quando planos ou em ângulo.

Quando o atuador é plano, por exemplo, o feixe de luz pode brilhar em uma coluna contendo muitos voxels marrons, produzindo um tom escuro. Mas quando o atuador se inclina, o feixe brilhará em voxels desalinhados. Os voxels marrons podem se afastar do feixe, enquanto voxels mais claros podem mudar para o feixe, produzindo um tom mais claro. O sistema usa essa técnica para alinhar colunas de voxel claro e escuro onde precisam estar na imagem plana e angular. Após 100 milhões ou mais de iterações, e em qualquer lugar de algumas a dezenas de horas, o sistema encontrará um arranjo que se ajuste às imagens de destino.

"Estamos comparando a aparência dessa [coluna de voxel] quando é plana ou quando tem um título, para coincidir com as imagens alvo, "Sundaram diz." Se não, você pode trocar, dizer, um voxel claro com um marrom. Se isso é uma melhoria, mantemos esta nova sugestão e fazemos outras alterações continuamente. "

Para fabricar os atuadores, os pesquisadores construíram uma impressora 3-D personalizada que usa uma técnica chamada "drop-on-demand". Os tubos dos três materiais são conectados aos cabeçotes de impressão com centenas de bicos que podem ser controlados individualmente. A impressora dispara uma gota de 30 mícrons do material designado em seu respectivo local de voxel. Uma vez que a gota pousa no substrato, está solidificado. Dessa forma, a impressora constrói um objeto, camada por camada.

O trabalho pode ser usado como um trampolim para projetar estruturas maiores, como asas de avião, Sundaram diz. Pesquisadores, por exemplo, também começaram a quebrar as asas do avião em blocos menores semelhantes a voxels para otimizar seus projetos de peso e sustentação, e outras métricas. "Ainda não somos capazes de imprimir asas ou qualquer coisa nessa escala, ou com esses materiais. Mas acho que este é o primeiro passo em direção a esse objetivo, "Diz Sundaram.