Автоматизированной системы, разработанной конструкции исследователи Массачусетского технологического института и 3-D печать робототехнический комплекс частей, называемых актуаторами, которые оптимизированы в зависимости от огромного количества характеристик. Короче говоря, система делает автоматически то, что для людей делать вручную практически невозможно.
В документе, опубликованном сегодня в науке достижения, исследователи демонстрируют систему изготовления приводы — это устройства, механически управление робототехническими системами в ответ на электрические сигналы, которые показывают разное черно-белого изображения под разными углами. Один привод, например, изображает Винсент Ван Гог Автопортрет, когда в горизонтальном положении. Наклонена углом, когда она активирована, однако, он изображает знаменитая картина Эдварда Мунка “Крик”. Исследователи также 3-D печатные плавающие кувшинки с лепестками оборудованная с массивами приводов и петель, которые складываются в ответ на магнитные поля проходят через проводящие жидкости.
Приводы изготавливаются из лоскутное одеяло из трех различных материалов, каждый из которых отличается светлый или темный цвет и свойства, такие как гибкость и намагниченность, которая контролирует угол привода в ответ на сигнал управления. Программа сначала срывается с конструкцией привода в миллионы трехмерных пикселей, или “воксели”, что каждый может быть заполнен каким-либо материалом. Затем, он работает миллионы симуляций, заполнения разных вокселей с различными материалами. В конце концов, он остановится на оптимальном размещении каждого материала в каждом вокселе для создания двух разных образов на двух разных точек зрения. С помощью 3-D принтера и изготавливает привода путем перетаскивания правильный материал в правильном вокселей, слой за слоем.
“Наша конечная цель состоит в том, чтобы автоматически найти оптимальный дизайн для любой проблемы, и затем использовать результаты наших оптимизированная конструкция для того чтобы изготовить его,” говорит первый автор Субраманьян Сундарам кандидат ’18, бывший аспирант в области компьютерных наук и лаборатории искусственного интеллекта (CSAIL). “Мы переходим от выбора материалов для печати, в поиске оптимального дизайна, до изготовления конечного продукта практически полностью автоматизирован.”
Перенос изображений показывает, что система может делать. Но приводы оптимизированы для внешнего вида и функция также может быть использована для биомимикрии в робототехнике. Например, другие исследователи разрабатывают подводных роботов скины с массивами привод, предназначенный для имитации чешуек на коже акулы. Зубцы коллективно деформируется для уменьшения лобового сопротивления для быстрее, тише, плавание. “Вы можете себе представить, подводные роботы, целые массивы приводы покрытие поверхности их кожи, которая может быть оптимизирована для перетащите и поворачивая эффективно, и так далее”, — сказал Сундарам.
Присоединение Сундарам на бумаге: Мелина Скурас, бывший постдок в MIT; Дэвид С. Ким, бывший сотрудник Вычислительного изготовления группы; Луиза ван ден Хевел ’14, см 16; и Войцех Matusik, МИТ доцент электротехники и информатики, руководитель расчетной группы изготовления.
Навигация по “комбинаторного взрыва”
Роботизированные приводы сегодня становятся все более сложными. В зависимости от применения, они должны быть оптимизированы для похудения, эффективность, внешний вид, гибкость, энергопотребление, а также различные другие функции и показатели эффективности. Как правило, специалисты вручную рассчитать все эти параметры, чтобы найти оптимальную конструкцию.
Добавив к этому сложности, новые 3-D-печати технологии сейчас можно использовать несколько материалов для создания одного изделия. Это означает, что размерность дизайн становится невероятно высокой. “Что у тебя остается, это то, что называется ‘комбинаторный взрыв, где вы, по сути есть так много комбинаций материалов и свойств, которые вы не имеете шанс оценить все комбинации, чтобы создать оптимальную структуру”, — сказал Сундарам.
В своей работе ученые впервые подгонянный три полимерных материалов с особыми свойствами они необходимы для построения их приводы: цвета, намагниченности и жесткость. В конце концов, они производят почти прозрачный твердый материал, непрозрачный гибкий материал, используемый в качестве шарнира, и коричневый наночастиц материала, который реагирует на магнитный сигнал. Они заткнули все, что характеризующие данные в библиотеку собственность.
Система берет в качестве входного полутонового изображения примеры — такие, как плоский привод, который отображает портрет Ван Гога, но наклоняется на точный угол, чтобы показать “крик”. Он в основном выполняет сложную форму методом проб и ошибок, что-то переставляя, как Кубик Рубика, но в этом случае около 5,5 млн. вокселей многократно изменена, чтобы соответствовать образу и соответствовать измеренному углу.
Изначально, система черпает из библиотеки отеля, чтобы случайно назначить разные материалы для разных вокселей. Далее выполняется моделирование, чтобы увидеть, если эта договоренность изображает двух целевых изображений, прямо и под углом. Если нет, он получает сигнал об ошибке. Этот сигнал позволяет ему знать, какие воксели на Марк и что должно быть изменено. Добавление, удаление и перемещение вокруг коричневой магнитной вокселей, например, изменить угол привода, когда применяется магнитное поле. Но, кроме того, система должна подумать, как выравнивать эти коричневые вокселей будет влиять на изображение.
Воксел по воксел
Для вычисления видимости привода на каждой итерации, исследователи приняли технике компьютерной графики под названием “трассировка луча”, который имитирует дорожку света, взаимодействуя с объектами. Имитация световых пучков стрелять посредством электропривода в каждом столбце вокселей. Электроприводы могут быть изготовлены с более чем 100 слоев воксел. Столбцы могут содержать более 100 вокселей, с разных последовательностей из материалов, которые излучают с различными оттенками серого, когда плоский или под углом.
Когда привод находится квартира, к примеру, луч света может светить вниз на столбец, содержащий множество коричневых вокселей, производящих темный тон. Но когда привод наклонов, луч будет светить на разрегулированные вокселей. Коричневый вокселей может отойти от луча, в то время как более понятно вокселей может перейти в Луч, производя более светлого тона. Система использует эту технику, чтобы выровнять темные и светлые столбцы вокселей, где они должны быть плоские и угловые изображения. После 100 миллионов или более итераций, и в любом месте от нескольких до десятков часов, система будет найти механизм, который подходит для целевого изображения.
“Мы сравниваем, что колонка вокселя] выглядит, когда он плоский или, когда она называется, чтобы соответствовать целевой изображений”, — говорит Сундара. “Если нет, можно поменять, скажем, понятно воксел с коричневый. Если это улучшение, мы продолжаем это новое предложение и внести другие изменения снова и снова.”
Для изготовления актуаторов, ученые создали 3-D принтер, который использует технику, называемую “падение-на-спрос”. Ванны из трех материалов подключены к печатающие головки с сотнями сопел, которые могут индивидуально контролироваться. Принтер использует 30-микронных капель указанных материалов в соответствующие местоположения воксел. После того, как земли капля на подложке, оно затвердело. Таким образом, принтер создает объект слой за слоем.
Работа может быть использована как трамплин для создания больших конструкций, таких как крылья самолета, говорит Сундарам. Исследователи, например, точно так же начинают разрушаться крылья самолета на меньшие воксел-как блоки для оптимизации их конструкции для веса и подъема, а также другие показатели. “Мы пока не в состоянии печатать крылья или что-нибудь в том масштабе, или с теми материалами. Но я думаю, это первый шаг к этой цели”, — сказал Сундарам.
