Neue 3D-gedruckte Materialien spüren ihre eigenen Bewegungen

Ein Forscherteam am MIT hat eine neue Methode für den 3D-Druck von Materialien mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften entwickelt, die es ihnen ermöglicht, ihre eigenen Bewegungen und Interaktionen mit der Umgebung zu spüren. Das Team erstellte die Sensorstrukturen mit einem Material und einem einzigen Versuch auf einem 3D-Drucker. 

Sie verwendeten zunächst 3D-gedruckte Gittermaterialien und integrierten während des Druckvorgangs Netzwerke luftgefüllter Kanäle in die Struktur. Sie könnten dann Einblicke in die Bewegung des Materials gewinnen, indem sie die Druckänderungen in diesen Kanälen messen, wenn die Struktur gequetscht, gebogen oder gedehnt wird. 

Die Gittermaterialien bestehen aus einzelnen Zellen in einem sich wiederholenden Muster, und durch Änderung der Größe oder Form der Zellen werden die mechanischen Eigenschaften des Materials verändert. 

Die neue Technik könnte schließlich dazu beitragen, flexible Soft-Roboter mit eingebetteten Sensoren zu entwickeln, die es den Robotern ermöglichen, ihre Haltung und Bewegungen zu verstehen. Dies könnte auch zur Entwicklung tragbarer, intelligenter Geräte führen, die anpassbar sind. 

Lillian Chin ist Co-Hauptautorin und Doktorandin am MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). 

„Die Idee bei dieser Arbeit ist, dass wir jedes Material, das 3D-gedruckt werden kann, auf einfache Weise verwenden können, um Kanäle darin zu verlegen, sodass wir eine Sensorik mit Struktur erhalten können. Und wenn man wirklich komplexe Materialien verwendet, dann kann man Bewegung, Wahrnehmung und Struktur in einem haben“, sagte Chin. 

Zu dem Artikel gehören auch der Co-Hauptautor Ryan Truby, ein ehemaliger CSAIL-Postdoc und derzeitiger Assistenzprofessor an der Northwestern University; Annan Zhang, ein CSAIL-Doktorand; und leitende Autorin Daniela Rus, Andrew und Erna Viterbi Professorin für Elektrotechnik und Informatik und Direktorin von CSAIL. 

Die Forschung wurde in veröffentlicht Wissenschaft Fortschritte. 

3D-Drucktechnik

Das Team setzte auf 3D-Druck, um luftgefüllte Kanäle direkt in die Streben einzubauen, die das Gitter bilden. Wenn sich die Struktur bewegt oder zusammengedrückt wird, verformen sich die Kanäle und das Luftvolumen im Inneren verändert sich. Dieses Verfahren ermöglicht es den Forschern, die entsprechende Druckänderung mit einem handelsüblichen Drucksensor zu messen, der Rückmeldung darüber gibt, wie sich das Material verformt. 

„Wenn man ein Gummiband dehnt, dauert es eine Weile, bis es wieder an seinen Platz kommt. Da wir jedoch Luft verwenden und die Verformungen relativ stabil sind, erhalten wir nicht die gleichen zeitlich variierenden Eigenschaften. Die Informationen, die unser Sensor liefert, sind viel sauberer“, sagt Chin.

Das Team integrierte Kanäle mithilfe des 3D-Drucks mit digitaler Lichtverarbeitung in die Struktur. Bei dieser Methode wird die Struktur aus einem Harzpool gezogen und mithilfe von projiziertem Licht in eine präzise Form ausgehärtet. Anschließend wird ein Bild auf das feuchte Harz projiziert und die vom Licht getroffenen Bereiche werden ausgehärtet. 

Im weiteren Verlauf des Prozesses tropft das klebrige Harz und bleibt in den Kanälen hängen, was bedeutete, dass das Team überschüssiges Harz entfernen musste, bevor es aushärtete. Dazu nutzten sie eine Mischung aus Druckluft, Vakuum und aufwendiger Reinigung.

 „Wir müssen von der Designseite her mehr Brainstorming betreiben, um über diesen Reinigungsprozess nachzudenken, da er die größte Herausforderung darstellt“, fährt Chin fort.

Das Team nutzte diesen Prozess, um mehrere Gitterstrukturen zu erstellen und demonstrierte, wie die luftgefüllten Kanäle eine deutliche Rückmeldung erzeugen konnten, wenn die Strukturen zusammengedrückt oder gebogen wurden.

HSA Soft Robots

Die Forschergruppe integrierte Sensoren auch in Handed Shearing Auxetics (HSAs), einer neuen Materialklasse, die für motorisierte Soft-Roboter entwickelt wurde. HSAs können gleichzeitig gedehnt und verdreht werden, wodurch sie als effektive Soft-Roboter-Aktuatoren fungieren können. Allerdings sind HSAs aufgrund ihrer komplexen Form schwer zu „sensorisieren“. 

Das Team druckte einen dieser HSA-Softroboter in 3D, der verschiedene Bewegungen wie Biegen und Drehen ausführen konnte. Anschließend wurde er über 18 Stunden lang einer Reihe von Bewegungen unterzogen und die Sensordaten wurden verwendet, um ein neuronales Netzwerk zu trainieren, das die Bewegung des Roboters genau vorhersagen konnte. 

„Materialwissenschaftler haben hart daran gearbeitet, architektonische Materialien hinsichtlich ihrer Funktionalität zu optimieren. Dies scheint eine einfache, aber wirklich wirkungsvolle Idee zu sein, um das, was diese Forscher getan haben, mit diesem Bereich der Wahrnehmung zu verbinden. Sobald wir die Sensorik hinzufügen, können Robotiker wie ich ins Spiel kommen und dies als aktives Material nutzen, nicht nur als passives“, sagt Chin.

„Die Sensorisierung weicher Roboter mit kontinuierlichen hautähnlichen Sensoren war eine offene Herausforderung auf diesem Gebiet. „Diese neue Methode bietet präzise propriozeptive Fähigkeiten für Soft-Roboter und öffnet die Tür für die Erkundung der Welt durch Berührung“, fährt Rus fort. 

Chin und das Team sagen, dass die Zukunft dieser Technologie zu Dingen wie Football-Helmen führen könnte, die auf den Kopf eines bestimmten Spielers zugeschnitten sind. Diese Helme würden über Sensorfunktionen innerhalb der internen Struktur verfügen, wodurch die Genauigkeit der Rückmeldung von Kollisionen auf dem Spielfeld erhöht würde.