مواد مطبوعة ثلاثية الأبعاد جديدة تكتشف حركاتها الخاصة

فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طور طريقة جديدة لطباعة المواد ثلاثية الأبعاد مع خصائص ميكانيكية قابلة للتعديل، مما يسمح لها بالكشف عن حركاتها وتفاعلاتها مع البيئة. قام الفريق بإنشاء هياكل الكشف باستخدام مادة واحدة ومرة واحدة على طابعة ثلاثية الأبعاد.

أولًا، أخذوا مواد شبكية مطبوعة ثلاثية الأبعاد ودمجوا شبكات من القنوات المحتوية على الهواء في الهيكل أثناء عملية الطباعة. يمكنهم بعد ذلك استخراج معلومات حول كيفية تحرك المادة عن طريق قياس التغيرات في الضغط داخل هذه القنوات عندما يتم ضغط الهيكل أو ثنيه أو مدّه.

تتكون المواد الشبكية من خلايا فردية في نمط متكرر، وبتغيير حجم أو شكل الخلايا، يتم تعديل الخصائص الميكانيكية للمادة.

يمكن أن تساعد هذه التقنية الجديدة في النهاية في إنشاء روبوتات لينة مرنة مع حساسات مدمجة تمكن الروبوتات من فهم وضعها وحركاتها. كما يمكن أن تؤدي إلى تطوير أجهزة ذكية قابلة للارتداء قابلة للتعديل.

ليليان تشين هي المؤلف المشارك الرئيسي وطالب دراسات عليا في معمل ماساتشوستس للتكنولوجيا للحاسوب والذكاء الاصطناعي (CSAIL).

“الفكرة في هذا العمل هي أننا يمكن أن نأخذ أي مادة يمكن طباعتها ثلاثية الأبعاد ونقوم بطرق قنوات بسيطة في جميع أنحاءها حتى نحصل على حساسية مع هيكل. وإذا استخدمنا مواد معقدة حقًا، يمكننا الحصول على حركة وإدراك وهيكل في واحد،” يقول تشين.

يضم البحث أيضًا المؤلف المشارك ريان ترابي، وهو باحث ما بعد الدكتوراه السابق في CSAIL وأستاذ مساعد حالي في جامعة نورث وسترن؛ آنان زانغ، طالب دراسات عليا في CSAIL؛ والكاتب الرئيسي دانييلا روس، أستاذ أندرو وارنا فيتيبري للهندسة الكهربائية والحاسوب و مدير CSAIL.

نشر البحث في Science Advances.

تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

اعتمد الفريق على الطباعة ثلاثية الأبعاد لدمج القنوات المحتوية على الهواء مباشرة في العوارض التي تشكل الشبكة. عندما يخضع الهيكل للحركة أو يتم ضغطه، تتغير القنوات وتتغير حجم الهواء داخلها. هذا يعني أن الباحثين يمكنهم قياس التغير المقابل في الضغط باستخدام حساس ضغط جاهز، مما يوفر ملاحظات حول كيفية تشوه المادة.

“إذا مددت شريطًا من المطاط، فسيستغرق بعض الوقت للعودة إلى مكانه. لكننا نستخدم الهواء والتشوهات تكون مستقرة نسبيًا، لذلك لا نحصل على نفس الخصائص المتغيرة مع الوقت. المعلومات التي تخرج من حساسنا تكون أكثر نقاءً،” يقول تشين.

دمج الفريق القنوات في الهيكل باستخدام طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد بالضوء الرقمي. تتضمن هذه الطريقة سحب الهيكل من بركة من الراتنج وتصلبه إلى شكل دقيق باستخدام ضوء مشع. ثم يتم توجيه صورة على الراتنج الرطب والمناطق التي تتعرض للضوء تتم معالجتها.

كما تقدم الفريق أمثلة على تطبيقات هذه التقنية في مجالات مختلفة، مثل إنشاء روبوتات لينة مرنة ومتحركة.

“سوف نضطر إلى القيام بمزيد من التفكير في الجانب التصميمي لتفكير في عملية التنظيف، لأنها هي التحدي الرئيسي،” يواصل تشين.

استخدم الفريق هذه العملية لإنشاء هياكل شبكية متعددة وبرهنة على كيفية توليد القنوات المحتوية على الهواء ملاحظات واضحة عند ضغط أو ثني الهياكل.

روبوتات لينة HSA

كما دمج فريق الباحثين حساسات في روبوتات لينة من نوع HSA، وهو فئة جديدة من المواد طورت لروبوتات لينة محركة. يمكن تشويه وثني هذه المواد في نفس الوقت، مما يسمح لها بالعمل كمحاكي روبوتات لينة فعالة. ومع ذلك، يصعب “تحسيس” هذه المواد بسبب أشكالها المعقدة.

طبع الفريق روبوتًا لينًا من هذا النوع وتمكنت من تنفيذ حركات مختلفة مثل الانحناء والثني. ثم خضعت للحركات المختلفة لمدة 18 ساعة، واستخدمت بيانات الحساسية لتدريب شبكة عصبونية يمكنها توقع حركة الروبوت بدقة.

“يعمل علماء المواد بجد لتحسين المواد المعمارية من أجل الوظيفة. يبدو هذا كفكرة بسيطة ولكنها قوية لربط ما قام به هؤلاء الباحثون مع هذا المجال من الإدراك. بمجرد إضافة الحساسية، يمكن للروبوتات مثل tôi استخدام هذه المواد كمواد نشطة، وليس فقط مواد ساكنة،” يقول تشين.

“تمثل حساسية الروبوتات اللينة بالجلد المستمر تحديًا مفتوحًا في هذا المجال. توفر هذه الطريقة الجديدة قدرات دقيقة لتحسس الروبوتات اللينة وتفتح الباب لاستكشاف العالم من خلال اللمس،” يواصل روس.

يقول تشين وفريقه إن مستقبل هذه التقنية يمكن أن يؤدي إلى أشياء مثل خوذات كرة قدم مخصصة لرأس لاعب معين. سيكون لهذه الخوذات قدرات حاسة داخل الهيكل، مما يزيد من دقة ملاحظات الاصطدامات على الملعب.