MIT が魔法の 3D 印刷技術を実証: 印刷されたオブジェクトが絵画に変わる

出典: ロボハブ

南極熊の紹介: MIT は、ロボットの部品を自動的に設計して 3D プリントし、3D プリントされた睡蓮の花びらを折り畳み、さまざまな角度でさまざまな絵画を表示できる新しいシステムを開発しました。

最近、MITの研究者らは、Science Advancesに掲載された論文で、ロボット部品を3Dプリントできるシステムを紹介した。このシステムは、カスタマイズされた3Dプリンターでアクチュエーターを作成し、アクチュエーターの角度が変わると、2つの異なる絵が表示される。このシステムを実証するために、研究者らは、磁場が導電性液体を流れると花びらが折りたたまれる一連のアクチュエータとヒンジを備えた花びらを持つ浮遊する睡蓮も 3D プリントしました。

1. ドライバーが角度を制御してさまざまな画像を表示します<br /> このシステムはグレースケールの画像サンプルを入力として受け取り、アクチュエータを平らに置くとゴッホの肖像画が表示されます。アクチュエータを作動させて斜めにすると、エドヴァルド・ムンクの絵画「叫び」が描かれます。

これは本質的には、ルービックキューブを並べ替えるような複雑な試行錯誤を実行することであり、この場合、約 550 万個の 3 次元ピクセル、つまり「ボクセル」を、画像に一致させて測定された角度を満たすように繰り返し再構成します。

アクチュエータは 3 つの異なる材料で作られており、それぞれ明暗の色や柔軟性、磁化などの特性が異なり、制御信号に基づいてアクチュエータの角度を制御できます。カスタム 3D プリンターは、適切な材料を適切なボクセルに層ごとに配置してアクチュエータを作成します。

ソフトウェアはまず、ドライブの設計を数百万の「ボクセル」に分解します。各ボクセルには、任意の 1 つの素材を充填できます。次に、数百万回のシミュレーションを実行し、さまざまなボクセルにさまざまな素材を充填します。最終的に、各ボクセル内の各素材の最適な配置が決定され、2 つの異なる角度で 2 つの異なる画像が生成されます。

2. レイトレーシング技術でトーンの明るさを調整 新しい 3D プリント技術では、複数の材料を使用して製品を作成できるようになりました。つまり、複数の材料のさまざまな特性をさまざまに組み合わせて、最適な構造を見つけることができます。

研究者らはまず、アクチュエータの構築に必要な特定の特性（色、磁化、剛性）を持つ 3 つのポリマー材料をカスタマイズしました。最終的に、彼らはほぼ透明な硬質材料、ヒンジとして機能する不透明で柔軟な材料、磁気信号に反応してすべての特性データをプロパティライブラリに入力する茶色のナノ粒子材料を生成しました。

最初に、システムはプロパティライブラリから異なるボクセルに異なるマテリアルをランダムに割り当てます。シミュレーションの実行後、システムはこの配置が 2 つのターゲットイメージを斜めに表しているかどうかを確認します。そうでない場合、システムはどのボクセルを変更する必要があるかを示すエラー信号を受信します。たとえば、茶色の磁気ボクセルの周囲に磁気ボクセルを追加、削除、移動すると、磁場が適用されたときのアクチュエータの角度が変わります。同時に、システムはこれらの茶色のボクセルを調整すると画像の表示にどのような影響が及ぶかも考慮する必要があります。

各反復でドライブがどのように見えるかを計算するために、研究者はレイトレーシングと呼ばれるコンピューターグラフィックス技術を使用しました。これは、光が物体と相互作用するときにたどる経路をシミュレートするものです。ボクセルの各列を通過する光線のドライバーをシミュレートし、異なるマテリアルのシーケンスが、水平または斜めのときに異なるグレーの色合いで輝きます。

たとえば、ドライブがフラットな場合、ビームは多数の茶色のボクセルの列に照射され、暗い色合いが生成されます。アクチュエータが傾くと、ビームが位置ずれしたボクセルに照射され、茶色のボクセルがビームから外れ、明るいボクセルがビーム内に入り込み、より明るい色合いが生まれます。

3. 「オンデマンドドロップ」はマテリアルボクセルの位置を決定します<br /> アクチュエーターを製造するために、研究者らはドロップオンデマンド印刷と呼ばれる技術を使用してカスタム 3D プリンターを構築しました。 3 つの材料が入った紙箱がプリントヘッドに接続され、3D プリンターは個別に制御される数百のノズルを通して、30 ミクロンサイズの指定された材料をそれぞれのボクセル位置に噴射します。液滴は基板に着地し、すぐに固まります。このようにして、プリンターはオブジェクトを層ごとに構築します。

「私たちの最終的な目標は、あらゆる問題に対して最適な設計を自動的に見つけ出し、最適化された設計の出力を使用してそれを製造することです」と、論文の主著者であるスブラマニアン・スンダラム博士は述べています。

4. この新しいシステムはバイオニックロボットの作成に使用できる 角度が変化する画像は、システムが何ができるかを示しています。外観と機能が最適化されたアクチュエータは、ロボット工学における生体模倣にも使用できます。たとえば、研究者たちはサメの皮膚の歯を模倣するように設計されたアクチュエータの配列を備えた水中ロボット皮膚を設計しています。

アクチュエータの形状を変更して抵抗を減らし、水中ロボットがより速く静かに泳げるようにしました。これらのアクチュエータは、水中ロボットの皮膚の表面にコーティングされており、抗力と操縦効率を最適化します。

今日のロボットアクチュエータはますます複雑になっており、用途に応じて、重量、効率、外観、柔軟性、消費電力、その他さまざまな機能およびパフォーマンスの指標を最適化する必要があります。通常、研究者はこれらのパラメータを手動で計算して最適な設計を見つけます。

結論：新しいシステムは大規模構造の基礎となる
スンダラム氏は、彼らの研究が飛行機の翼のようなより大きな構造物を設計するための基礎となる可能性があると述べ、彼の研究者たちは飛行機の翼をより小さなピクセルブロックに分解して、重量、揚力、その他の設計基準を最適化し始めている。

MIT の新しいシステムは現在、翼などの大型構造物を印刷することはできませんが、大規模構造物の設計に向けた第一歩です。将来的には、このシステムは、人間が手作業では完了できないタスクを達成するのを支援するために利用される予定です。

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