自动化系统设计和3D打印复杂的机器人部件，称为执行器，由麻省理工学院的研究人员开发，根据大量的规范进行优化。简而言之，系统自动完成人类手工几乎不可能完成的事情。
在科学进展发表的一篇论文中，研究人员通过制造机械控制机器人系统响应电信号的致动器设备来演示该系统——在不同角度显示不同的黑白图像。例如，当文森特梵高的肖像平放时，致动器描绘该肖像。然而，当它被激活并倾斜一个角度时，它描绘了爱德华蒙克的名画《呐喊》。
致动器由三种不同的材料拼凑而成，每种材料都有不同的浅色或深色以及柔性和磁化等特性——它响应控制信号来控制致动器的角度。该软件首先将致动器设计分解成数百万个三维像素或“体素”，每个像素可以填充任何材料。然后，它运行数百万次模拟，用不同的材料填充不同的体素。最后，它落在每个体素中每种材料的最佳位置，以在两个不同的角度生成两个不同的图像。然后，定制的3-D打印机通过一层一层地将正确的材料放入正确的体素中来制造致动器。
“我们的最终目标是自动找到任何问题的最佳设计，然后使用我们优化设计的输出来制作它，”第一作者Subramanian Sundaram博士说。他是计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的一名研究生。“我们选择印刷材料，寻找最佳设计，并以几乎完全自动化的方式制造最终产品。”
动态图像展示了该系统的功能。然而，针对外观和功能进行优化的致动器也可以用于机器人学中的仿生学。例如，其他研究人员正在设计带有致动器阵列的水下机器人皮肤，旨在模仿鲨鱼皮肤上的细菌。小齿集体变形以减少阻力，从而游得更快更安静。“你可以想象水下机器人整个阵列的致动器都涂在它们的皮肤表面，这可以优化阻力和旋转，等等，”孙达拉姆说。
今天的机器人执行器变得越来越复杂。根据应用，它们必须针对重量、效率、外观、灵活性、功耗和各种其他功能和性能指标进行优化。通常，专家手动计算所有这些参数，以找到最佳设计。
此外，新的3D打印技术现在可以使用各种材料来制造产品。这意味着设计的维度变得非常高。“你剩下的就是所谓的‘组合爆炸’。在这种情况下，你基本上有太多的材料和性能组合，以至于你没有机会评估每个组合来创造最佳结构，”孙达拉姆说。
在他们的工作中，研究人员首先定制了三种聚合物材料，这些材料具有构建致动器所需的特定属性：颜色、磁化和刚度。最后，他们生产了一种近乎透明的刚性材料，一种用作铰链的不透明柔性材料，以及一种对磁信号有反应的棕色纳米粒子材料。他们将所有特征数据插入属性库中。
该系统以灰度图像实例作为输入，如显示梵高肖像的平面致动器，但以精确的角度倾斜以显示“呐喊”。它基本上执行了一种复杂的试错形式，有点像重新排列魔方，但在这种情况下，大约550万个体素被迭代地重新配置，以匹配图像并满足测量角度。
最初，系统从属性库中抽取不同的材质随机分配给不同的体素。然后，它运行一个模拟来查看该排列是否直接并以一个角度描绘了两个目标图像。否则，您将收到一个错误信号。这个信号让它知道哪些体素在标记上，哪些体素应该被改变。例如，当施加磁场时，在棕色磁性体素周围添加、移除和移动将改变致动器的角度。然而，系统还必须考虑如何对齐那些将影响图像的棕色体素。
为了计算每次迭代时致动器的外观，研究人员采用了一种称为“光线追踪”的计算机图形技术，模拟光与物体相互作用的路径。模拟光束穿过每行体素处的致动器。致动器可以制造成具有超过100个体素层。一个色谱柱可以包含100多个体素，不同的材料序列在平坦或倾斜时会发出不同的灰度。
例如，当致动器是平的时，光束可以照射到包含许多棕色体素的柱上，导致暗色调。然而，当致动器倾斜时，光束将照射到未对准的体素上。布朗体素可能会偏离光束，而更清晰的体素可能会移动到光束中，从而产生更亮的色调。该系统使用这种技术来对准需要在平面和倾斜图像中的暗和亮体素列。经过一亿次或更多次的迭代，经过几个小时到几十个小时，系统会找到适合目标图像的排列。
Sundaram说：“我们正在比较当它是平的或倾斜的以匹配目标图像时，[体素列]看起来是什么样子。”“如果没有，你可以用一个棕色的体素换一个清晰的体素。如果这是一种改进，我们会保留这个新建议，并反复进行其他更改。”
为了制造致动器，研究人员建造了一台定制的3D打印机，该打印机采用了一种称为“按需喷射”的技术。由三种材料制成的浴缸与带有数百个喷嘴的打印头相连，这些喷嘴可以单独控制。打印机将30微米大小的特定材料液滴喷射到各自的材料上。
的体素位置。一旦液滴落在基板上，它就会固化。通过这种方式，打印机逐层构建对象。Sundaram说，这项工作可以作为设计大型结构的垫脚石，例如飞机机翼。例如，研究人员同样开始将飞机机翼分解成更小的体素块，以优化其重量和升力设计以及其他指标。“我们还无法在那个尺度上打印机翼或任何东西，或使用这些材料。但我认为这是实现这一目标的第一步，”Sundaram说。
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