麻省理工学院研究人员开发的自动化系统设计和3D打印复杂的机器人部件，称为驱动器，并根据大量的规格进行优化。信贷:萨勃拉曼尼亚他
剑桥,质量。-麻省理工学院的研究人员开发的自动化系统设计和3D打印复杂的机器人驱动器，并根据大量的规格进行优化。简而言之，该系统自动完成了人工几乎不可能完成的工作。
在一篇发表于科学进步，研究人员通过制作致动器以不同的角度显示不同的黑白图像。例如，一个驱动器可以在平放时描绘梵高的肖像。当它被激活时，它会倾斜一个角度，展示爱德华·蒙克的名画《呐喊》。
致动器由三种不同的材料拼凑而成，每种材料具有不同的明暗颜色和特性（如柔韧性和磁化力），可根据控制信号控制致动器的角度。软件首先将致动器设计分解为数百万个三维像素或“体素”，每个像素可以填充任何材料。
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，它会在每个体素中的每个材质的最佳位置上着陆，以在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作致动器。
第一作者说：“我们的最终目标是为任何问题自动找到最优设计，然后使用优化设计的结果来制造它。”Subramanian Sundaram，博士18岁，曾是麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的研究生(CSAIL）.“我们从选择印刷材料，到寻找最佳设计，再到几乎完全自动化地制造最终产品。”
新型机器人执行器模仿生物学提高效率
这些变化的图像展示了该系统的功能。但致动器外观和功能优化也可用于机器人仿生。例如，其他研究人员正在设计水下机器人皮肤，其驱动器阵列旨在模拟鲨鱼皮肤上的牙齿。小齿集体变形以减少阻力，从而实现更快、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系列的执行器，这些执行器可以有效地进行拖动和转向等优化。”。
与Sundaram一同发表论文的还有前麻省理工学院博士后Melina Skouras;David S. Kim，计算制造小组的前研究员;Louise van den Heuvel, 14年，SM, 16年;Wojciech Matusik是麻省理工学院电气工程和计算机科学副教授，也是计算制造小组的负责人。
导航“组合爆炸”
机器人执行器正变得越来越复杂。根据应用程序的不同，它们必须针对重量、效率、外观、灵活性、功耗和各种其他功能和性能指标进行优化。一般情况下，专家会手工计算所有这些参数，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制造一种产品。这意味着设计的维度变得非常高
Sundaram说：“你剩下的就是所谓的‘组合爆炸’，本质上你有太多的材料和性能组合，以至于你没有机会评估每一种组合来创造最佳结构。”。
研究人员首先定制了三种聚合物材料，它们具有制造机器人驱动器所需的特殊性能:颜色、磁化和刚性。他们最终制造出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，以及一种对磁性信号做出反应的棕色纳米颗粒材料。他们把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，例如显示梵高肖像但以精确角度倾斜以显示“尖叫”的平板驱动器它基本上执行一种复杂形式的反复试验，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角度。
最初，系统从属性库中绘制，将不同的材质随机分配给不同的体素。然后，系统运行模拟，以查看该排列是否以直线和角度描绘了两个目标图像。如果没有，系统将获得错误信号。该信号让系统知道哪些体素在标记上，哪些应该更改。
例如，添加、移除和移动棕色磁性体素，将在磁场作用时改变驱动器的角度。但是，系统还必须考虑对齐这些棕色体素将如何影响图像。
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体素的体素
为了计算执行器在每次迭代中的外观，研究人员采用了一种称为“光线跟踪”的计算机图形技术，该技术模拟光与物体相互作用的路径。模拟光束在每一列体素处穿过执行器。
驱动器可以用超过100体素层制造。列可以包含超过100个体素，当平面或角度不同时，不同序列的材料辐射出不同的灰度。
例如，当驱动器是平的时，光束可能照射到包含许多棕色体素的柱上，产生暗色调。但当执行器倾斜时，光束会照射到未对齐的体素。棕色体素可能会从光束中移开，而更清晰的体素可能会移到光束中，产生更轻的音调。
该系统使用该技术来对齐黑暗和光明体素列，在它们需要在平面和角度图像。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排列。
Sundaram说:“我们正在比较[体素列]平坦或有标题时的样子，以匹配目标图像。”如果没有，你可以把一个透明体素和一个棕色体素交换。如果这是一种改进，我们就保留这个新建议，并不断做出其他改变。”
为了制造驱动器，研究人员制造了一个定制的3d打印机，该打印机使用了一种叫做“按需滴”的技术。这三种材料的桶连接到打印头，打印头上有数百个喷嘴，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各自的体素位置。一旦液滴落在基材上，它就凝固了。通过这种方式，打印机逐层构建一个对象。
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，研究人员同样开始将飞机机翼分解成更小的体素块，以优化其重量、升力和其他指标的设计。
Sundaram说：“我们还不能用这些材料印刷翅膀或其他类似的东西。”。“但我认为这是朝着这个目标迈出的第一步。”
编者按:本文经麻省理工学院新闻允许转载。
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