Neue 3D-gedruckte Materialien spüren ihre eigenen Bewegungen

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

Sie nahmen zunächst 3D-gedruckte Gittermaterialien und integrierten Netzwerke von luftgefüllten Kanälen in die Struktur während des Druckprozesses. Sie konnten dann Erkenntnisse über die Bewegung des Materials gewinnen, indem sie die Druckänderungen in diesen Kanälen maßen, wenn die Struktur zusammengedrückt, gebogen oder gedehnt wurde.

Die Gittermaterialien bestehen aus einzelnen Zellen in einem wiederkehrenden Muster, und durch Ändern der Größe oder Form der Zellen werden die mechanischen Eigenschaften des Materials geändert.

Die neue Technik könnte letztendlich dazu beitragen, flexible weiche Roboter mit eingebetteten Sensoren zu erstellen, die es den Robotern ermöglichen, ihre Haltung und Bewegungen zu verstehen. Sie könnte auch zu der Entwicklung von tragbaren intelligenten Geräten führen, die anpassbar sind.

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

“Die Idee hinter dieser Arbeit ist, dass wir jedes Material, das 3D-gedruckt werden kann, nehmen und eine einfache Möglichkeit haben, Kanäle durch es zu leiten, so dass wir Sensorisierung mit Struktur erhalten. Und wenn Sie wirklich komplexe Materialien verwenden, können Sie Bewegung, Wahrnehmung und Struktur in einem haben”, sagte Chin.

Die Studie umfasst auch Co-Autor Ryan Truby, einen ehemaligen CSAIL-Postdoktoranden und aktuellen Assistant Professor an der Northwestern University; Annan Zhang, einen CSAIL-Doktoranden; und Senior-Autor Daniela Rus, die Andrew und Erna Viterbi Professorin für Elektrotechnik und Informatik und Direktorin von CSAIL.

Die Forschung wurde in Science Advances veröffentlicht.

3D-Druck-Technik

Das Team verließ sich auf 3D-Druck, um luftgefüllte Kanäle direkt in die Streben zu integrieren, die das Gitter bilden. Wenn die Struktur eine Bewegung ausführt oder zusammengedrückt wird, deformieren die Kanäle und das Volumen der Luft darin ändert sich. Dieser Prozess ermöglicht es den Forschern, die entsprechende Änderung des Drucks mit einem handelsüblichen Drucksensor zu messen, der Feedback über die Deformation des Materials liefert.

“Wenn Sie einen Gummiband strecken, braucht es ein wenig Zeit, um wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Aber da wir Luft verwenden und die Deformationen relativ stabil sind, erhalten wir nicht diese gleichen zeitabhängigen Eigenschaften. Die Informationen, die aus unserem Sensor kommen, sind viel sauberer”, sagt Chin.

Das Team integrierte Kanäle in die Struktur mithilfe der digitalen Lichtverarbeitung beim 3D-Druck. Die Methode beinhaltet, dass die Struktur aus einem Pool von Harz gezogen und mit Hilfe von projiziertem Licht in eine präzise Form gehärtet wird. Ein Bild wird dann auf das nasse Harz projiziert und die Bereiche, die von Licht getroffen werden, werden gehärtet.

Im Laufe des Prozesses tropft das klebrige Harz und bleibt in den Kanälen stecken, was bedeutete, dass das Team überschüssiges Harz entfernen musste, bevor es gehärtet wurde. Sie taten dies, indem sie eine Mischung aus pressurisierter Luft, Vakuum und feiner Reinigung verwendeten.

“Wir werden noch mehr Brainstorming auf der Design-Seite durchführen müssen, um über den Reinigungsprozess nachzudenken, da dies die größte Herausforderung ist”, fährt Chin fort.

Das Team verwendete diesen Prozess, um mehrere Gitterstrukturen zu erstellen und demonstrierte, wie die luftgefüllten Kanäle klare Rückmeldungen liefern konnten, wenn die Strukturen zusammengedrückt oder gebogen wurden.

HSA-Weiche Roboter

Die Gruppe von Forschern integrierte auch Sensoren in Händedreh- Auxetiken (HSAs), eine neue Klasse von Materialien, die für motorisierte weiche Roboter entwickelt wurden. HSAs können gleichzeitig gestreckt und verdreht werden, was es ihnen ermöglicht, als effektive weiche Roboter-Aktoren zu fungieren. Allerdings sind HSAs aufgrund ihrer komplexen Formen schwierig zu “sensorisieren”.

Das Team druckte einen dieser HSA-weichen Roboter, der in der Lage war, verschiedene Bewegungen wie Biegen und Drehen auszuführen. Er wurde dann über einen Zeitraum von über 18 Stunden verschiedenen 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, architekturierte Materialien für Funktionalität zu optimieren. Dies scheint eine einfache, aber wirklich mächtige Idee zu sein, um das, was diese Forscher getan haben, mit diesem Bereich der Wahrnehmung zu verbinden. Sobald wir Sensoren hinzufügen, können Roboter wie ich hereinkommen und dies als aktives Material und nicht nur als passives verwenden”, sagt Chin.

“Die Sensorisierung von weichen Robotern mit kontinuierlichen, hautähnlichen Sensoren war eine offene Herausforderung in diesem Bereich. Diese neue Methode bietet genaue propriozeptive Fähigkeiten für weiche Roboter und öffnet die Tür für die Erforschung der Welt durch Berührung”, fährt Rus fort.

Chin und das Team sagen, dass die Zukunft einer solchen Technologie zu Dingen wie Football-Helmen führen könnte, die auf den Kopf eines bestimmten Spielers zugeschnitten sind. Diese Helme würden Sensoren in der internen Struktur haben, was die Genauigkeit der Rückmeldungen von Kollisionen auf dem Spielfeld erhöhen würde.