Nové 3D-tištěné materiály vnímají své vlastní pohyby

Tým výzkumníků z MIT vyvinul novou metodu pro 3D tisk materiálů s nastavitelnými mechanickými vlastnostmi, které umožňují vnímat své vlastní pohyby a interakce se okolím. Tým vytvořil čidla ve struktuře s jedním materiálem a jedním pokusem na 3D tiskárně.

Nejprve vzali 3D-tištěné materiály ve formě mřížky a během tisku do nich začlenili sítě vzduchových kanálů. Poté mohli získat informace o pohybu materiálu měřením změn tlaku uvnitř těchto kanálů, když byla struktura stlačena, ohnuta nebo natáhla.

Mřížkové materiály se skládají z jednotlivých buněk v opakujícím se vzoru a změnou velikosti nebo tvaru buněk se mění mechanické vlastnosti materiálu.

Nová technika by mohla nakonec pomoci vytvořit flexibilní měkké roboty s vestavěnými čidly, které umožňují robotům rozumět své poloze a pohybům. Může také vést k vývoji nositelných chytrých zařízení, která lze přizpůsobit.

Lillian Chin je spoluautorka a doktorandka v laboratoři MIT Computer Science and Artificial Intelligence (CSAIL).

“Nápad této práce spočívá v tom, že můžeme vzít jakýkoli materiál, který lze 3D-tisknout, a mít jednoduchý způsob, jak vést kanály skrz něj, abychom mohli získat čidla s strukturou. A pokud použijeme opravdu komplexní materiály, pak můžeme mít pohyb, vnímání a strukturu všechny v jednom,” říká Chin.

Článek také zahrnuje spoluautora Ryana Trubyho, bývalého postdoktoranda CSAIL a současného asistenta na Northwestern University; Annan Zhang, doktorandku CSAIL; a hlavního autora Danielu Rus, profesorku elektrotechniky a počítačových věd a ředitelku CSAIL.

Výzkum byl zveřejněn v Science Advances.

Technika 3D tisku

Tým se spoléhal na 3D tisk, aby přímo do struktur začlenil vzduchové kanály. Když struktura prochází pohybem nebo je stlačena, kanály se deformují a objem vzduchu uvnitř se mění. Tento proces umožňuje výzkumníkům měřit příslušnou změnu tlaku pomocí standardního tlakového čidla, které poskytuje zpětnou vazbu o tom, jak se materiál deformuje.

“Pokud natáhnete gumový pásek, chvíli trvá, než se vrátí do původní polohy. Ale protože používáme vzduch a deformace jsou relativně stabilní, nemáme stejné časově proměnné vlastnosti. Informace, které dostaneme z našeho čidla, jsou mnohem čistější,” říká Chin.

Tým začlenil kanály do struktury pomocí digitálního zpracování 3D tisku. Metoda zahrnuje vytvoření struktury z bazénu pryskyřice a její následné vytvrzení do přesného tvaru pomocí projekovaného světla. Poté se obraz projektuje na mokrou pryskyřici a oblasti zasažené světlem se vytvrzují.

Jak proces pokračuje, lepkavá pryskyřice kapá a uvízne uvnitř kanálů, což znamenalo, že tým musel odstranit jakýkoli přebytečný pryskyřici, než se vytvrdil. To provedli pomocí směsi stlačeného vzduchu, vakuové čerpání a důkladného čištění.

“Budeme muset dělat více brainstormingu z hlediska návrhu, abychom mohli myslet na ten proces čištění, protože to je hlavní výzva,” pokračuje Chin.

Tým použil tento proces k vytvoření několika mřížkových struktur a prokázal, jak vzduchové kanály mohou generovat jasnou zpětnou vazbu, když struktury byly stlačeny nebo ohnuty.

Měkké roboty HSA

Skupina výzkumníků také začlenila čidla do rukou šikmých auxetik (HSAs), které jsou novou třídou materiálů vyvinutých pro motorizované měkké roboty. HSAs lze protáhnout a otočit současně, což umožňuje jejich použití jako efektivní měkké robotické akční členy. Nicméně HSAs jsou obtížně “čitelné” kvůli jejich složitým tvarům.

Tým 3D-tiskl jeden z těchto HSA měkkých robotů, který provedl různé pohyby, jako ohnutí a otočení. Poté byl robot podroben sérii pohybů po dobu více než 18 hodin a data z čidel se použila k výcviku neuronové sítě, která mohla přesně předpovědět pohyb robota.

“Materiáloví vědci tvrdě pracovali na optimalizaci architektovaných materiálů pro funkčnost. To se zdá jako jednoduchý, ale opravdu mocný nápad, který spojuje to, co tito výzkumníci dělali, s tímto světem vnímání. Jakmile přidáme čidla, pak robotici jako já mohou přijít a použít tento materiál jako aktivní, ne jen pasivní,” říká Chin.

“Čitelnost měkkých robotů s kontinuálními senzorickými povrchy byla otevřenou výzvou v oboru. Tato nová metoda poskytuje přesné proprioceptivní schopnosti pro měkké roboty a otevírá dveře pro zkoumání světa prostřednictvím doteku,” pokračuje Rus.

Chin a tým říkají, že budoucnost této technologie by mohla vést k věcem, jako jsou fotbalové přilby přizpůsobené konkrétní hlavě hráče. Tyto přilby by měly čitelné schopnosti uvnitř vnitřní struktury, což by zvýšilo přesnost zpětné vazby z kolizí na hřišti.