Un système automatisé développé par des chercheurs du MIT conçoit et imprime en 3D des pièces robotiques complexes appelées actionneurs qui sont optimisées selon un nombre énorme de spécifications. En bref, le système fait automatiquement ce qui est pratiquement impossible pour les humains à faire à la main.

Dans un article publié en Avancées scientifiques , les chercheurs démontrent le système en fabriquant des actionneurs, des dispositifs qui contrôlent mécaniquement les systèmes robotiques en réponse à des signaux électriques, qui montrent différentes images en noir et blanc sous différents angles. Un actionneur, par exemple, représente un portrait de Vincent van Gogh posé à plat. Incliné d'un angle lorsqu'il est activé, cependant, il représente le célèbre tableau d'Edvard Munch "Le Cri".

Les actionneurs sont fabriqués à partir d'un patchwork de trois matériaux différents, chacune avec une couleur claire ou foncée différente et une propriété, telle que la flexibilité et la magnétisation, qui contrôle l'angle de l'actionneur en réponse à un signal de commande. Le logiciel décompose d'abord la conception de l'actionneur en millions de pixels tridimensionnels, ou "voxels, " qui peuvent chacun être remplis de l'un des matériaux. Ensuite, il exécute des millions de simulations, remplir différents voxels avec différents matériaux. Finalement, il atterrit sur le placement optimal de chaque matériau dans chaque voxel pour générer deux images différentes sous deux angles différents. Une imprimante 3D personnalisée fabrique ensuite l'actionneur en déposant le bon matériau dans le bon voxel, couche par couche.

"Notre objectif ultime est de trouver automatiquement une conception optimale pour tout problème, puis utiliser la sortie de notre conception optimisée pour la fabriquer, " dit le premier auteur Subramanian Sundaram Ph.D. '18, un ancien étudiant diplômé du Laboratoire d'Informatique et d'Intelligence Artificielle (CSAIL). "Nous allons de la sélection des supports d'impression, pour trouver la conception optimale, à la fabrication du produit final de manière presque entièrement automatisée."

Les images changeantes montrent ce que le système peut faire. Mais des actionneurs optimisés pour l'apparence et la fonction pourraient également être utilisés pour le biomimétisme en robotique. Par exemple, d'autres chercheurs conçoivent des peaux robotiques sous-marines avec des réseaux d'actionneurs destinés à imiter les denticules sur la peau de requin. Les denticules se déforment collectivement pour réduire la traînée plus rapidement, baignade plus calme. "Vous pouvez imaginer des robots sous-marins ayant des rangées entières d'actionneurs recouvrant la surface de leur peau, qui peut être optimisé pour la traînée et le virage efficacement, etc, " dit Sundaram.

Se joignant à Sundaram sur le papier sont :Melina Skouras, un ancien post-doctorant du MIT; David S. Kim, un ancien chercheur du Computational Fabrication Group; Louise van den Heuvel '14, SM '16 ; et Wojciech Matusik, professeur agrégé au MIT en génie électrique et informatique et chef du Computational Fabrication Group.

Naviguer dans "l'explosion combinatoire"

Les actionneurs robotiques d'aujourd'hui deviennent de plus en plus complexes. Selon l'application, ils doivent être optimisés pour le poids, Efficacité, apparence, la flexibilité, consommation d'énergie, et diverses autres fonctions et mesures de performance. Généralement, les experts calculent manuellement tous ces paramètres pour trouver une conception optimale.

Ajoutant à cette complexité, Les nouvelles techniques d'impression 3D peuvent désormais utiliser plusieurs matériaux pour créer un seul produit. Cela signifie que la dimensionnalité du design devient incroyablement élevée. "Ce qu'il vous reste, c'est ce qu'on appelle une" explosion combinatoire, ' où vous avez essentiellement tellement de combinaisons de matériaux et de propriétés que vous n'avez pas la possibilité d'évaluer chaque combinaison pour créer une structure optimale, " dit Sundaram.

Dans leur travail, les chercheurs ont d'abord personnalisé trois matériaux polymères avec des propriétés spécifiques dont ils avaient besoin pour construire leurs actionneurs :couleur, magnétisation, et la rigidité. À la fin, ils ont produit un matériau rigide presque transparent, un matériau souple opaque utilisé comme charnière, et un matériau nanoparticulaire brun qui répond à un signal magnétique. Ils ont branché toutes ces données de caractérisation dans une bibliothèque de propriétés.

Le système prend en entrée des exemples d'images en niveaux de gris, tels que l'actionneur plat qui affiche le portrait de Van Gogh mais s'incline à un angle exact pour montrer « The Scream ». Il exécute essentiellement une forme complexe d'essais et d'erreurs qui ressemble un peu à la réorganisation d'un Rubik's Cube, mais dans ce cas, environ 5,5 millions de voxels sont reconfigurés de manière itérative pour correspondre à une image et rencontrer un angle mesuré.

Initialement, le système puise dans la bibliothèque de propriétés pour attribuer au hasard différents matériaux à différents voxels. Puis, il exécute une simulation pour voir si cet arrangement représente les deux images cibles, tout droit et en biais. Si non, il reçoit un signal d'erreur. Ce signal lui permet de savoir quels voxels sont sur la marque et lesquels doivent être modifiés. Ajouter, enlever, et se déplaçant autour de voxels magnétiques bruns, par exemple, changera l'angle de l'actionneur lorsqu'un champ magnétique est appliqué. Mais, le système doit également considérer comment l'alignement de ces voxels bruns affectera l'image.

Voxel par voxel

Pour calculer les apparences de l'actionneur à chaque itération, les chercheurs ont adopté une technique d'infographie appelée "ray-tracing, " qui simule le chemin de la lumière interagissant avec les objets. Des faisceaux lumineux simulés traversent l'actionneur au niveau de chaque colonne de voxels. Les actionneurs peuvent être fabriqués avec plus de 100 couches de voxels. Les colonnes peuvent contenir plus de 100 voxels, avec différentes séquences de matériaux qui rayonnent une nuance de gris différente lorsqu'ils sont plats ou en biais.

Lorsque l'actionneur est plat, par exemple, le faisceau lumineux peut éclairer une colonne contenant de nombreux voxels bruns, produisant un ton sombre. Mais lorsque l'actionneur s'incline, le faisceau brillera sur les voxels mal alignés. Les voxels bruns peuvent s'éloigner du faisceau, tandis que des voxels plus clairs peuvent se déplacer dans le faisceau, produisant un ton plus clair. Le système utilise cette technique pour aligner les colonnes de voxels sombres et claires là où elles doivent être dans l'image plate et inclinée. Après 100 millions d'itérations ou plus, et de quelques heures à des dizaines d'heures, le système trouvera un arrangement qui correspond aux images cibles.

"Nous comparons à quoi ressemble cette [colonne voxel] quand elle est plate ou quand elle est intitulée, pour faire correspondre les images cibles, " dit Sundaram. " Sinon, vous pouvez échanger, dire, un voxel clair avec un brun. Si c'est une amélioration, nous gardons cette nouvelle suggestion et faisons d'autres changements encore et encore."

Pour fabriquer les actionneurs, les chercheurs ont construit une imprimante 3D personnalisée qui utilise une technique appelée "drop-on-demand". Les bacs des trois matériaux sont connectés à des têtes d'impression avec des centaines de buses qui peuvent être contrôlées individuellement. L'imprimante tire une gouttelette de 30 microns du matériau désigné dans son emplacement voxel respectif. Une fois que la gouttelette a atterri sur le substrat, c'est solidifié. De cette façon, l'imprimante construit un objet, couche par couche.

Le travail pourrait être utilisé comme un tremplin pour la conception de structures plus grandes, comme les ailes d'avion, dit Sundaram. Des chercheurs, par exemple, ont également commencé à décomposer les ailes d'avion en blocs de type voxel plus petits pour optimiser leurs conceptions en termes de poids et de portance, et d'autres métriques. "Nous ne sommes pas encore capables d'imprimer des ailes ou quoi que ce soit à cette échelle, ou avec ces matériaux. Mais je pense que c'est un premier pas vers cet objectif, " dit Sundaram.