自动化系统为新任务生成机器人部件

麻省理工学院(MIT)的研究人员开发了一个自动化系统,设计并3d打印复杂的机器人部件,称为执行器,根据大量的规格进行优化。简而言之,该系统自动完成了几乎不可能由人类手工完成的任务。 

在今天发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中,研究人员通过制造执行器来演示该系统。执行器是一种机械控制机器人系统响应电信号的装置,可以从不同角度显示不同的黑白图像。举个例子,一个致动器可以在平躺的时候画出一幅文森特·梵高(Vincent van Gogh)的肖像。当它被激活时倾斜了一个角度,然而,它描绘了著名的爱德华·蒙克(Edvard Munch)的画作《呐喊》(the Scream)。研究人员还用3d技术打印了漂浮的睡莲,睡莲的花瓣上安装了一系列驱动器和铰链,这些驱动器和铰链会随着磁场在导电液体中流动而折叠起来。

执行机构由三种不同的材料拼凑而成,每种材料都有不同的明暗颜色和特性,比如灵活性和磁化强度,可以根据控制信号控制执行机构的角度。软件首先将执行器设计分解成数百万个三维像素,即“体素”,每个体素都可以填充任何一种材料。然后,它运行数百万次模拟,用不同的材料填充不同的体素。最终,它会在每个体素中找到每个材料的最佳位置,以两个不同的角度生成两个不同的图像。然后,一个定制的3d打印机通过将正确的材料一层一层地放入正确的体素中来制造执行器。

“我们的最终目标是为任何问题自动找到最优设计,然后使用我们优化设计的输出来制造它,”第一作者Subramanian Sundaram博士说,他曾是计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的研究生。“我们从选择印刷材料,到找到最优设计,再到以几乎完全自动化的方式制造最终产品。”

这些移动的图像展示了这个系统可以做什么。但是,为外观和功能优化的执行器也可以用于机器人的仿生。例如,其他研究人员正在设计带有执行器阵列的水下机器人皮肤,旨在模仿鲨鱼皮肤上的牙齿。牙列共同变形,以减少阻力,为更快,更安静的游泳。Sundaram说:“你可以想象,水下机器人的皮肤表面覆盖着一层执行器阵列,这些执行器可以进行优化,以有效地进行拖动和旋转,等等。”

论文中加入Sundaram的有:Melina Skouras,前麻省理工学院博士后;计算制造小组的前研究员David S. Kim;路易丝范登霍威尔’ 14,SM ‘ 16;以及麻省理工学院电子工程和计算机科学副教授、计算制造小组组长沃伊切赫·马图斯克(Wojciech Matusik)。

驾驭“组合爆炸”

今天的机器人执行机构正变得越来越复杂。根据应用程序的不同,它们必须针对重量、效率、外观、灵活性、功耗以及各种其他功能和性能指标进行优化。一般情况下,专家手动计算所有这些参数,以找到最优设计。

更复杂的是,新的3d打印技术现在可以使用多种材料来创建一个产品。这意味着设计的维度变得非常高。Sundaram说:“剩下的就是所谓的‘组合爆炸’,你实际上有太多的材料和属性的组合,你没有机会评估每一个组合来创建一个最佳结构。”

在他们的工作中,研究人员首先定制了三种聚合物材料,它们具有制造驱动器所需的特定性能:颜色、磁化强度和硬度。最后,他们制造了一种近乎透明的刚性材料,一种用作铰链的不透明柔性材料,以及一种能对磁信号做出反应的棕色纳米颗粒材料。他们将所有的特征数据插入到一个属性库中。

该系统以输入灰度图像为例——比如平面执行器,它显示梵高的画像,但倾斜成一个精确的角度来显示“尖叫”。“它基本上是执行一种复杂的试错形式,有点像重新排列魔方,但在这种情况下,大约550万个体素被反复重新配置,以匹配图像并满足测量的角度。”

最初,系统从属性库中抽取不同的材料随机分配到不同的体素。然后,它运行一个模拟,看看这种安排是否描绘了两个目标图像,直线和角度。如果没有,它会得到一个错误信号。这个信号让它知道哪些体素在标记上,哪些应该改变。例如,当施加磁场时,围绕棕色磁性体素的添加、移除和移动会改变驱动器的角度。但是,系统还必须考虑如何对齐这些棕色体素将影响图像。

体素的体素

为了在每次迭代中计算执行器的外观,研究人员采用了一种名为“光线追踪”的计算机图形技术,该技术模拟光与物体相互作用的路径。模拟光束通过体素每一列的执行器。执行器可以用超过100个体素层来制作。柱可以包含100多个体素,不同的材料序列在水平或成角度时辐射出不同的灰色阴影。

例如,当执行器是平的时候,光束可能照射到一个包含许多棕色体素的柱上,产生一种暗色调。但是当执行器倾斜时,光束会照射到错位的体素上。棕色的体素可能会离开光束,而更清晰的体素可能会转移到光束中,产生更亮的色调。该系统使用该技术来对齐黑暗和光明体素列,它们需要在平面和角度的图像。经过1亿次或更多的迭代,从几小时到几十小时,系统将找到适合目标图像的安排。

Sundaram说:“我们正在比较(体素列)当它是平的时候是什么样子的,或者当它有标题的时候是什么样子的,以匹配目标图像。”如果没有,你可以用一个棕色的体素替换一个透明的体素。如果这是一种改进,我们会保留这个新建议,并反复做出其他改变。”

为了制造执行器,研究人员使用一种叫做“随需应变”的技术,制造了一台定制的3d打印机。这三种材料的桶与打印头相连,打印头有数百个喷嘴,可以单独控制。打印机将30微米大小的指定材料液滴发射到相应的体素位置。一旦液滴落在基质上,它就会凝固。这样,打印机就可以一层一层地构建对象。

Sundaram说,这项工作可以作为设计更大结构的垫脚石,比如飞机机翼。例如,研究人员也开始将飞机机翼分解成类似体素的小块,以优化其重量、升力和其他指标的设计。“我们目前还不能打印翅膀或任何那样规模的东西,或用那些材料。但我认为这是朝着这个目标迈出的第一步。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/automated-design-print-actuators-robotics-0712

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