مواد جديدة مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد تستشعر حركاتها الذاتية

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 من المؤلفين الرئيسيين المشاركين وطالبة 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 ونوفر طريقة بسيطة لتمرير قنوات في جميع أجزائها، بحيث تصبح القدرة على الاستشعار جزءًا من الهيكل. وإذا استخدمنا مواد معقدة حقًا، يمكننا الحصول على حركة وإدراك وهيكل في واحد،” يقول تشين.

يضم البحث أيضًا المؤلف الرئيسي 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؛ والمؤلفة المشرفة دانييلا روس، أستاذة الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب التي تشغل كرسي أندرو وإرنا فيتربي ومديرة 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، تتشوه القنوات ويتغير 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 مُسقَط. ثم يتم توجيه صورة على الراتنج الرطب والمناطق التي تتعرض للضوء تتصلب.

مع تقدم العملية، يقطر الراتنج اللزج ويعلق داخل القنوات، ما استلزم إزالة الراتنج الزائد قبل تصلبه. وأنجز الفريق ذلك باستخدام مزيج من الهواء المضغوط والفراغ والتنظيف الدقيق.

“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 هياكل أوكسيتية ذات اتجاه قص محدد (handed shearing auxetics أو HSA)، وهي فئة جديدة من المواد طُورت للروبوتات اللينة التي تعمل بمحركات. يمكن شد هذه المواد ولَيّها في الوقت نفسه، مما يسمح لها بالعمل كمشغلات فعالة للروبوتات اللينة. ومع ذلك، يصعب “تحسيس” هذه المواد بسبب أشكالها المعقدة.

طبع الفريق روبوتًا لينًا من هذا النوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتمكن الروبوت من تنفيذ حركات مختلفة مثل الانحناء والالتواء. ثم أُخضع لسلسلة من الحركات لأكثر من 18 ساعة، واستخدمت بيانات الحساسات لتدريب شبكة عصبونية يمكنها توقع حركة الروبوت بدقة.

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

“يمثل تزويد الروبوتات اللينة بحساسات متصلة تشبه الجلد تحديًا مفتوحًا في هذا المجال. توفر هذه الطريقة الجديدة قدرات دقيقة للروبوتات اللينة على استشعار وضعها وحركتها الذاتية وتفتح الباب لاستكشاف العالم من خلال اللمس،” يواصل روس.

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