導(dǎo)讀：麻省理工學(xué)院研發(fā)了一種新系統(tǒng)，能自動設(shè)計(jì)和3D打印機(jī)器人部件，可以收起3D打印的睡蓮花瓣，還能在不同角度展示不同畫作。
      近日，發(fā)表在Science Advances的一篇論文中，麻省理工的研究人員介紹了一種能3D打印機(jī)器人部件的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠通過定制的3D打印機(jī)制作驅(qū)動器，當(dāng)驅(qū)動器角度發(fā)生變化時(shí)，展示出兩種不同的畫作。為了演示這一系統(tǒng)，研究人員還用3D打印技術(shù)打印了漂浮的睡蓮，花瓣上安裝了一系列驅(qū)動器和鉸鏈，這些驅(qū)動器和鉸鏈可以隨著磁場在導(dǎo)電液體中流動而使花瓣折疊起來。

一、驅(qū)動器控制角度展示不同圖像
      該系統(tǒng)采用灰度圖像樣本作為輸入，驅(qū)動器在平放時(shí)展示出的是一副梵高的肖像，當(dāng)它被激活傾斜一個(gè)角度時(shí)，又可以描繪出Edvard Munch的畫作《吶喊》。它基本上是在執(zhí)行一個(gè)復(fù)雜形式的試錯(cuò)，有點(diǎn)像重新排列組合魔方，在這種情況下，大約550萬個(gè)三維像素，或者說“體素”進(jìn)行迭代的重新配置，以匹配圖像并滿足測量的角度。
      驅(qū)動器由三種不同材料制成，每種材料有不同的明暗顏色和特性，比如柔韌性和磁化強(qiáng)度，可以根據(jù)控制信號控制驅(qū)動器的角度。定制的3D打印機(jī)通過逐層將正確的材料放入正確的體素中來制造驅(qū)動器。軟件首先將驅(qū)動器的設(shè)計(jì)分解成數(shù)百萬個(gè)體素”，每個(gè)像素都可以填充任何一種材料。然后，它運(yùn)行數(shù)百萬次模擬，用不同的材料填充不同的體素。最終，它落在每個(gè)體素中每種材料的最佳位置，從而在兩個(gè)不同的角度產(chǎn)生兩個(gè)不同的圖像。
二、光線追蹤技術(shù)調(diào)整色調(diào)明暗
     新的3D打印技術(shù)現(xiàn)在可以使用多種材料來創(chuàng)建一種產(chǎn)品，也就是說可以通過多種材料的不同性能進(jìn)行各種組合，以找出最佳結(jié)構(gòu)。

   研究人員首先定制了三種聚合物材料，這些材料具有構(gòu)建驅(qū)動器所需的特定屬性：顏色、磁化和剛性。最后，他們生產(chǎn)了一種近乎透明的剛性材料，一種用作鉸鏈的不透明柔性材料，以及一種響應(yīng)磁信號的棕色納米粒子材料，并將所有特征數(shù)據(jù)插入屬性庫中。最初，系統(tǒng)從屬性庫中隨機(jī)的將不同材料分配給不同體素，進(jìn)行模擬運(yùn)行后，系統(tǒng)會產(chǎn)看這種排列是否以一定角度描繪了兩個(gè)目標(biāo)圖像。如果沒有，系統(tǒng)會收到一個(gè)錯(cuò)誤信號，這個(gè)信號會對哪個(gè)體素需要被改變做出提示。例如，在施加磁場時(shí)，在棕色磁性體素周圍添加、移除和移動磁性體素會改變驅(qū)動器的角度。同時(shí)，系統(tǒng)還必須考慮如何調(diào)整這些棕色體素影響圖像顯示。
     為了在每次迭代中計(jì)算驅(qū)動器的外觀，研究人員采用了一種名為“光線追蹤”的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，該技術(shù)模擬光與物體相互作用的路徑。模擬光束穿過每一列體素的驅(qū)動器，不同的材料序列在水平或成角度時(shí)發(fā)出不同的灰色陰影。例如，在驅(qū)動器是平的時(shí)候，光束可以照射在許多棕色體素的色譜柱上，產(chǎn)生暗色調(diào)。當(dāng)驅(qū)動器傾斜時(shí)，光束會照射在未對準(zhǔn)的體素上，棕色體素可能會偏離光束，而更清晰的體素可能會移動到光束中，產(chǎn)生更亮的色調(diào)。
三、“按需噴墨”確定材料體素位置
     為了制造驅(qū)動器，研究人員定制了3D打印機(jī)，使用了一種叫做“按需噴墨”的技術(shù)。將三種材料的紙盒連接到印刷頭上，通過單獨(dú)控制的數(shù)百個(gè)噴嘴，3D打印機(jī)將30微米大小的指定材料噴射到各自的體素位置上。液滴落在基板上會隨即凝固，通過這種方式，打印機(jī)逐層的構(gòu)建對象。該論文的第一作者Subramanian Sundaram博士說：“我們的最終目標(biāo)是自動找到任何問題的最優(yōu)設(shè)計(jì)，然后利用我們優(yōu)化設(shè)計(jì)的輸出來制造它。”
四、新系統(tǒng)可用于制造仿生機(jī)器人
     隨著角度發(fā)生變化的圖像展示了這個(gè)系統(tǒng)可以做什么，針對外觀和功能進(jìn)行了優(yōu)化的驅(qū)動器還可以用于機(jī)器人技術(shù)中的仿生學(xué)。例如，有研究人員正在設(shè)計(jì)具有驅(qū)動器陣列的水下機(jī)器人皮膚，旨在模仿鯊魚皮膚上的齒狀物。驅(qū)動器在形狀上做出改變，以減少阻力，水下機(jī)器人可以更快、更安靜的游泳。這些驅(qū)動器覆蓋在水下機(jī)器人皮膚表面，可以優(yōu)化阻力和轉(zhuǎn)向效率。
     如今的機(jī)器人驅(qū)動器正變得越來越復(fù)雜，根據(jù)應(yīng)用程序的不同，它們必須針對重量、效率、外觀、靈活性、功耗以及其他各種功能和性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。通常，研究人員回手動計(jì)算這些參數(shù)來找到最佳設(shè)計(jì)。
結(jié)語：新系統(tǒng)將為大規(guī)模結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)
        Sundaram表示，他們的工作可以作為設(shè)計(jì)飛機(jī)機(jī)翼等更大結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，他們的研究人員已經(jīng)開始將飛機(jī)機(jī)翼分解成更小的像素塊，優(yōu)化重量、升力和其他設(shè)計(jì)指標(biāo)。雖然麻省理工的新系統(tǒng)現(xiàn)在還不能打印機(jī)翼這種更大結(jié)構(gòu)的東西，但已經(jīng)是朝著大規(guī)模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)邁出了第一步，未來該系統(tǒng)獲獎幫助人類完成人工無法完成的任務(wù)。