Novas técnicas de nanofabricação 3D permitem robôs miniaturizados

Na década de 1980, quando os sistemas microeletromecânicos (MEMS) foram criados pela primeira vez, os engenheiros da computação ficaram entusiasmados com a ideia de que esses novos dispositivos que combinavam componentes elétricos e mecânicos em microescala poderiam ser usados ​​para construir robôs em miniatura.

A ideia de reduzir os mecanismos robóticos a tamanhos tão minúsculos foi particularmente interessante dado o potencial para alcançar um desempenho excepcional em métricas como velocidade e precisão, aproveitando o tamanho e a massa menores de um robô. Mas fazer robôs em escalas menores é mais fácil de falar do que fazer devido às limitações na fabricação 3D em microescala.

Quase 50 anos depois, Ph.D. os alunos Steven Man e Sukjun Kim, trabalhando com a professora de engenharia mecânica Sarah Bergbreiter, desenvolveram um processo de impressão 3D para construir pequenos robôs Delta chamados microDeltas. Robôs Delta em escalas maiores (normalmente de 60 a 1,20 m de altura) são usados ​​para tarefas de coleta, colocação e classificação em fabricação, embalagem e montagem de eletrônicos. Os microDeltas muito menores têm potencial para aplicações no mundo real em micromanipulação, micromontagem, cirurgias minimamente invasivas e dispositivos hápticos vestíveis.

As descobertas são publicadas na revista Robótica Científica.

Os métodos anteriores para fabricar mecanismos robóticos nesses tamanhos menores exigiam montagem manual e dobramento de componentes microfabricados.

A equipe de Bergbreiter desenvolveu um processo de impressão 3D para microrobótica que usa polimerização de dois fótons, uma técnica avançada de nanofabricação na qual um laser focalizado solidifica material fotossensível com altíssima precisão. Em seguida, é depositada uma fina camada de metal que permite a funcionalidade elétrica para geometrias e atuadores 3D complexos sem dobrar ou montar manualmente.

Os robôs microDelta, com 1,4 mm e 0,7 mm de altura, são os menores e mais rápidos robôs Delta já demonstrados. Ao construir robôs microDelta em diferentes tamanhos, os pesquisadores conseguiram testar as previsões que os cientistas fizeram há quase 50 anos. Como esperado, encolher o robô melhorou a precisão para menos de um micrômetro, aumentou a velocidade operando em frequências acima de 1 kHz e forneceu energia suficiente para lançar um grão de sal – um projétil que tem 7,4% da massa de todo o robô.

Bergbreiter disse que Man rapidamente realizou oito iterações no design dos robôs microDelta. Esse rápido retorno se deve ao design e impressão 3D desses robôs, em contraste com abordagens anteriores que podem levar semanas ou meses para serem projetadas e fabricadas.

“Adoro a rapidez com que Steven e Sukjun realizaram oito iterações desses projetos e, seguindo em frente, os alunos poderão continuar esse trabalho com mais facilidade, o que resultará em melhorias futuras.”

Usando o modelo desenvolvido neste trabalho, os alunos podem melhorar ainda mais as métricas desejadas, como largura de banda, precisão e espaço de trabalho, alterando os parâmetros de projeto do robô, criando grandes matrizes de microDeltas ou até mesmo adicionando melhorias adicionais, como detecção para operação em circuito fechado.

Os membros do corpo docente do Robotic Institute, Zeynep Temel e Oliver Kroemer, já estão usando conjuntos de robôs Delta de maior escala para manipulação complexa. Como os robôs microDelta são tão pequenos, matrizes densamente compactadas de vários robôs microDelta poderiam permitir recursos de robô inteiramente novos em pequenas escalas para feedback tátil rico ou tarefas de micromanipulação anteriormente inviáveis.

“Eliminar a necessidade de montagem traz enormes benefícios em termos de fabricação rápida e iteração de projeto”, disse Bergbreiter. “Em grandes escalas, os pesquisadores podem montar robôs a partir de motores e mecanismos que você pode comprar no mercado. Não temos esse luxo nessas pequenas escalas, onde é difícil fabricar e conectar peças minúsculas. É aí que esse novo processo de fabricação é incrivelmente benéfico. ”