–оботы-принтеры рисуют вещи замерзающей водой

05.02.2012, 19:54
»сточник: ћембрана


"Ќова€ архитектура смены фаз" — загадочное название дл€ инженерного проекта. ѕодзаголовок "”правл€емое компьютером строительство изо льда" не слишком про€сн€ет замысел, хот€ теперь уже можно догадатьс€, что под сменой фаз подразумеваетс€ заморозка воды. ј получать таким способом учЄные решили самые разнообразные издели€ Ц от миниатюрных деталей машин до насто€щих жилищ.

ѕрофессора ѕитер —айджпкес (Pieter Sijpkes) из Ўколы архитектуры университета ћакгилла (лидер данного проекта), ’орхе јнджелес (Jorge Angeles), глава лаборатории робототехнических систем университета, и их коллеги потратили три года на разработку, постройку и отладку необычных систем быстрого прототипировани€, названных New Architecture of Phase Change.

–ечь идЄт о так называемой трЄхмерной печати, идущей под управлением компьютера.

ѕитер —айджпкес и некоторые его лед€ные творени€.
ѕитер —айджпкес и некоторые его лед€ные творени€. –азумеетс€, искусный художник мог бы попробовать сделать нечто похожее вручную, но, что самое при€тное, Ц эти композиции изготовил робот по цифровой модели (фотографии Centre for Intelligent Machines/McGill University).

ѕо идее, в самых массовых таких системах в качестве "чернил" используют различные полимеры, которые твердеют после распылени€ (при контакте с воздухом или от воздействи€ лазера).  анадцы же говор€т: почему бы не задействовать обычную воду? ќна способна радикально снизить стоимость готовых изделий (пусть работать им суждено либо крайне недолго, либо только на морозе), упростить и ускорить получение нужных деталей.

»де€ эта сама по себе не нова. ¬ университете науки и технологии ћиссури группа учЄных под руководством профессора ћин Ћэу (Ming C. Leu) аж с 1999 года ведЄт схожий проект — Rapid Freeze Prototyping. “олько вот, как оказалось, такой простой материал, как H2O, не означает автоматически простоту технологии. » тут имеетс€ немало подводных камней. ѕотому канадцы решили вз€тьс€ за собственный вариант подобной системы.

—истема быстрого прототипировани€ при помощи заморозки воды
—истема быстрого прототипировани€ при помощи заморозки воды, построенна€ в ћиссури, и детали, полученные на ней (фотографии Missouri University of Science and Technology).

¬ качестве основы они использовали пару серийных роботов, которых переделали дл€ выкладывани€ крошечных капель воды на поверхность рабочего стола или уже растущей детали, наход€щихс€ при низкой температуре (-23 °C). »менно "выкладывани€", а не "бросани€": чтобы издели€ получались ровными и высокоточными, каплю за каплей следовало аккуратно наносить на предыдущий слой. ѕри этом размер капель не превышает 0,25 миллиметра, а зазор между льдом и соплом робота равен всего 0,15 мм.

ѕервый робот, превратившийс€ в аппарат дл€ создани€ "цифровых лед€ных скульптур", — Fab@Home или FAH (представлен на снимке под заголовком). »значально он дл€ прототипировани€ и выпускаетс€, но только управл€етс€ с обычными полимерами да смолами. ѕотому "инструментальную" часть его пришлось полностью заменить.   тому же дл€ надЄжной работы аппарата авторы проекта демонтировали всю электронную начинку FAH и вынесли еЄ подальше от зоны заморозки в отдельный €щик.

 лючева€ часть переделанного робота FAH: 1 Ц трубки дл€ рабочих жидкостей, 2 Ц манипул€тор, 3 Ц провода, 4 Ц нагревательный элемент, 5 Ц микроклапаны, 6 Ц корпус распылителей, 7 Ц измерительна€ термопара, 8 Ц сопло дл€ воды, 9 Ц сопло дл€ рассола
 лючева€ часть переделанного робота FAH: 1 Ц трубки дл€ рабочих жидкостей, 2 Ц манипул€тор, 3 Ц провода, 4 Ц нагревательный элемент, 5 Ц микроклапаны, 6 Ц корпус распылителей, 7 Ц измерительна€ термопара, 8 Ц сопло дл€ воды, 9 Ц сопло дл€ рассола (фото Barnett, Jorge Angeles, Damiano Pasini).

¬вели авторы системы и другие новшества. “ак, чтобы вода, поступающа€ в манипул€тор машины, не замЄрзла до выпуска через сопла, учЄным и инженерам пришлось соорудить подогрев магистралей, удерживающий их температуру при плюс 10 градусах по ÷ельсию. —лой за слоем такой робот оказалс€ способен выращивать из льда разнообразные вещи, нарисованные в компьютере.

Ќо главна€ находка канадцев Ц способ формировани€ тонкостенных лед€ных деталей с ажурными част€ми. „тобы они не ломались раньше времени и не стекали в стороны, пока не замЄрзнут, напрашивались некие подпорки, строительные леса. Ќо как их можно было встроить пр€мо в растущую лед€ную форму, и как потом убрать?

¬ыход оказалс€ гениально прост. Ћеса надо делать также из воды. Ќо не обычной.  анадцы добавили к манипул€тору робота второе сопло Ц дл€ водного раствора хлорида кали€. »менно им, словно вторым цветом, водно-лед€ной "принтер" и вычерчивает контуры подпорок одновременно с элементами желанной вещицы.

ѕри 20-30 градусах мороза и чиста€ вода, и рассол замерзают одинаково хорошо. ј вот чтобы из получившейс€ заготовки извлечь окончательное изделие, его следует аккуратно подогреть до минус 4 градусов по ÷ельсию. –ассол тает и уходит прочь, а деталь из чистого льда Ц остаЄтс€.

Ћед€на€ пивна€ кружка Ц €ркий пример использовани€ солЄных строительных лесов, которые тут пригодились дл€ поддержки в процессе печати сравнительно тонкой ручки
Ћед€на€ пивна€ кружка Ц €ркий пример использовани€ солЄных строительных лесов, которые тут пригодились дл€ поддержки в процессе печати сравнительно тонкой ручки (фотографии Centre for Intelligent Machines/McGill University).

“аким способом, рассуждают канадские новаторы, легко получать макеты деталей машин, модели зданий и прочие полезные вещи, которые архитекторы или инженеры хотели бы повертеть в руках. ѕусть даже сид€ на холоде и надев рукавицы. »ногда ведь такие издели€ нужны буквально на считанные часы, а возни с нимиЕ

FAH же способен выдавать издели€ размером до 20 х 20 х 13,5 сантиметров. ≈го рабоча€ головка движетс€ со скоростью до 15 миллиметров в секунду, так что на получение детали может уйти до 20 часов. Ќо это не так уж и плохо. ј ещЄ больше ускорить процесс удалось в следующей версии системы, котора€ базируетс€ на роботе-манипул€торе Adept Cobra 600.

создавать уникальные дизайнерские вещи изо льда лучше вручную. Ќо если потребуетс€ поставить выпуск лед€ных предметов на поток?
ќчевидно, что создавать уникальные, дизайнерские вещи изо льда лучше всЄ же вручную. Ќо если потребуетс€ поставить выпуск лед€ных предметов на поток? (фото Hotel de Glace).

Ќаконечник " обры" может перемещатьс€ со скоростью уже до 100 миллиметров в секунду, а размеры рабочего пространства, в пределах которого машина выкладывала лед€ные слои, достигает 30 х 30 х 20 сантиметров.

„тобы защитить промышленный манипул€тор от холода рабочей камеры, авторы проекта пошли на иную хитрость, нежели с FAH. ќни создали морозильную камеру без "крыши". ј к руке робота приделали удлинитель Ц 50-сантиметровую трубку с соплами на конце, покрытую толстым слоем теплоизол€ции. “ак сама машина осталась вне рабочей зоны, в которой и велось выращивание деталей.

Adept Cobra 600 пришлось больше переделывать, к тому же он был вчетверо дороже предыдущего робота. Ќо результат того стоил. ѕовысилась не только скорость работы, но и точность получаемых фигур. ¬низу, кстати, виден теплоизолированный удлинитель, выкладывающий фигурку изо льда (фото Centre for Intelligent Machines/McGill University).
Adept Cobra 600 пришлось больше переделывать, к тому же он был вчетверо дороже предыдущего робота. Ќо результат того стоил. ѕовысилась не только скорость работы, но и точность получаемых фигур. ¬низу, кстати, виден теплоизолированный удлинитель, выкладывающий фигурку изо льда (фото Centre for Intelligent Machines/McGill University).

јвторы New Architecture of Phase Change немало поломали головы над режимом выпуска вод€ных капель, варьированием их размера и температуры, рисунками "закрашивани€" пространства внутри контуров будущих деталей (зигзаги, спирали и так далее). ќни даже попробовали вариант Cobra 600 с распылителем воды, который позвол€л выращивать сравнительно простые формы с большей дистанции между рукой робота и рабочим столом (дном морозильника).

¬ конце концов ѕитер и его коллеги научились создавать из льда весьма сложные по геометрии издели€. ј сейчас канадцы подумывают уже об "ответвлени€х" своей технологии. —кажем, изучают способы получени€ металлических отливок точно по форме лед€ных прототипов.

≈щЄ несколько лед€ных фигурок, выращенных при помощи канадских аппаратов (фотографии Centre for Intelligent Machines/McGill University)
≈щЄ несколько лед€ных фигурок, выращенных при помощи канадских аппаратов (фотографии Centre for Intelligent Machines/McGill University)

¬се эти опыты, возможно, заинтересовали бы лишь специалистов по системам быстрого прототипировани€, однако канадцы объ€сн€ют, что дл€ них данные эксперименты Ц только ступень к созданию аналогичной технологии большего, "архитектурного" масштаба.

” университета ћакгилла богатые традиции возведени€ крупных лед€ных сооружений. “акие эксперименты канадцы став€т с 1972 года. ј, казалось бы, зачем придумывать тут что-то новое, когда всЄ уже отработано веками: сколько люди построили "дворцов и хижин" из льда и снега, начина€ с банальных иглу и заканчива€ целыми замками из крупных лед€ных блоков, выпиленных из поверхности замЄрзших рек и озЄр.

¬верху: ћонреаль, 1885 год. Ётот дворец Ц один из примеров крупномасштабного строительства из лед€ных блоков. ќн же послужил одним из вдохновл€ющих мотивов в современной работе канадских учЄных. ¬низу: лед€ной дворец на современном фестивале лед€ных скульптур в ’арбине (фотографии McCord Museum, <i>Markus Kallander</i>)
¬верху: ћонреаль, 1885 год. Ётот дворец Ц один из примеров крупномасштабного строительства из лед€ных блоков. ќн же послужил одним из вдохновл€ющих мотивов в современной работе канадских учЄных. ¬низу: лед€ной дворец на современном фестивале лед€ных скульптур в ’арбине (фотографии McCord Museum, Markus Kallander)

Ќо учЄных из ћонреал€ не устраивала одна особенность "дедовских приЄмов" Ц трудоЄмкость. ѕотому три дес€тка лет назад они придумали новый метод создани€ лед€ных сооружений: на столбах и тросах раст€гивалась нейлонова€ ткань, на которую в сильный мороз постепенно распыл€ли воду. «амЄрзнув, она создавала удивительные "лет€щие" конструкции, лЄгкие и прочные одновременно.

Ћед€ные конструкции на основе нейлона, построенные специалистами из университета ћакгилла в 1970-х и 1980-х годах (фото Pieter Sijpkes et al.).
Ћед€ные конструкции на основе нейлона, построенные специалистами из университета ћакгилла в 1970-х и 1980-х годах (фото Pieter Sijpkes et al.).

Ќынешние новаторы говор€т, что продолжают традиции университета. New Architecture of Phase Change Ц это попытка пойти ещЄ дальше. Ќабив шишки на настольных аппаратах, канадцы намерены построить большого робота, который, использу€ подаваемую воду, либо снег и лЄд пр€мо со стройплощадки, мог бы схожим способом постепенно выращивать стены и крыши строений высотой до 6 метров. “очно по программе и без участи€ человека. “ак получилс€ бы принтер, экономно и быстро распечатывающий лед€ные дома.

»де€ строительного принтера, заметим, не один раз всплывала по обе стороны јтлантики. Ќо только ранее исследователи говорили о домах обычных Ц из бетона. ј канадцы полагают, что в р€де областей применени€ и "избушка лед€на€" сгодилась бы. Ќапример Ц в области туризма.

≈щЄ один пример использовани€ "двухцветной" лед€ной печати Ц после оттаивани€ "лесов" из солевого раствора остаЄтс€ бокал из чистого льда (фотографии Eric Barnett, Jorge Angeles, Damiano Pasini).
≈щЄ один пример использовани€ "двухцветной" лед€ной печати Ц после оттаивани€ "лесов" из солевого раствора остаЄтс€ бокал из чистого льда (фотографии Eric Barnett, Jorge Angeles, Damiano Pasini).

Ќаши посто€нные читатели знакомы с лед€ным отелем в ёккасъ€рви, а ещЄ, к примеру, есть схожий по замыслу Hotel de Glace в  вебеке. ѕредставл€ете, сколько тонн льда нужно переместить на стройплощадку, чтобы возвести такие сооружени€? » ведь значительна€ часть его уйдЄт в отходы, после того как над колоннами и арками шедевра поработают архитекторы и скульпторы.

«амЄрзша€ вода, конечно, продукт бесплатный. Ќо сколько стоит труд рабочих и потраченное на стройку врем€? ÷ела€ арми€ огромных, средних и крошечных роботов, построенных по образу и подобию канадских прототипов, мечтают учЄные из университета ћакгилла, могли бы распечатывать и комнаты подобных дворцов, и мебель дл€ них, и даже Ц лед€ные стаканы дл€ не менее лед€ных пабов. —воего "архитектурного" робота канадцы намерены показать в 2010 году.

 анадский Hotel de Glace работает уже почти 10 лет (фотографии Hotel de Glace).
 анадский Hotel de Glace работает уже почти 10 лет (фотографии Hotel de Glace).


 лючевые слова:
ѕромышленные роботы
робот
робототехника


¬ернутьс€ в рубрику:

ѕромышленные роботы


≈сли вы хотите видеть на нашем сайте больше статей то кликните ѕоделитьс€ в социальных сет€х! —пасибо!
—мотрите также:

ќбратите внимание полезна€ информаци€.