Νέα υλικά τρισδιάστατης εκτύπωσης ανιχνεύουν τις δικές τους κινήσεις

Μια ομάδα ερευνητών στο MIT έχει αναπτύξει μια νέα μέθοδο για 3D εκτύπωση υλικών με ρυθμιζόμενες μηχανικές ιδιότητες, που τους επιτρέπει να ανιχνεύουν τις δικές τους κινήσεις και αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον. Η ομάδα δημιούργησε τις δομές ανίχνευσης με ένα υλικό και έναν μόνο κύκλο εκτύπωσης σε έναν 3D εκτυπωτή.

Πρώτα, πήραν 3D-εκτυπωμένα υλικά πλέγματος και ενσωμάτωσαν δίκτυα αεροπλήρων καναλιών στη δομή κατά τη διαδικασία εκτύπωσης. Στη συνέχεια, μπορούσαν να εξαγάγουν πληροφορίες σχετικά με το πώς το υλικό κινείται, μετρώντας τις αλλαγές πίεσης μέσα στα κανάλια όταν η δομή συμπιέζεται, κάμπτεται ή τεντώνεται.

Τα υλικά πλέγματος αποτελούνται από μονάδες κυψελών σε επαναλαμβανόμενο σχέδιο, και με την αλλαγή του μεγέθους ή του σχήματος των κυψελών, αλλάζουν οι μηχανικές ιδιότητες του υλικού.

Η νέα τεχνική θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει στη δημιουργία εύκαμπτων μαλακών ρομπότ με ενσωματωμένους αισθητήρες που θα επιτρέπουν στα ρομπότ να κατανοούν τη στάση και τις κινήσεις τους. Θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει στην ανάπτυξη φορέσιμων έξυπνων συσκευών που είναι προσαρμόσιμες.

Η Lillian Chin είναι μία από τους δύο κύριους συγγραφείς και μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Εργαστήριο Επιστήμης Υπολογιστών και Τεχνητής Νοημοσύνης του MIT (CSAIL).

«Η ιδέα με αυτή τη δουλειά είναι ότι μπορούμε να πάρουμε οποιοδήποτε υλικό που μπορεί να 3D-εκτυπωθεί και να έχουμε ένα απλό τρόπο να οδηγήσουμε κανάλια σε όλο το υλικό, ώστε να μπορούμε να πάρουμε αισθητηριακές πληροφορίες με δομή. Και αν χρησιμοποιήσετε πραγματικά σύνθετα υλικά, τότε μπορείτε να έχετε κίνηση, αντίληψη και δομή όλα σε ένα», είπε η Chin.

Το έγγραφο περιλαμβάνει επίσης τον δεύτερο κύριο συγγραφέα Ryan Truby, πρώην μεταδιδάκτορα του CSAIL και τώρα επίκουρο καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Northwestern, την Annan Zhang, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του CSAIL, και τη βασική επιβλέπουσα συγγραφέα Daniela Rus, κάτοχο της έδρας Andrew και Erna Viterbi στην Ηλεκτρολογία και την Επιστήμη Υπολογιστών και διευθύντρια του CSAIL.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Science Advances.

Τεχνική 3D Εκτύπωσης

Η ομάδα βασίστηκε στην 3D εκτύπωση για να ενσωματώσει αεροπλήρη κανάλια απευθείας στις ράβδους στήριξης που σχηματίζουν το πλέγμα. Όταν η δομή υποβάλλεται σε κίνηση ή συμπιέζεται, τα κανάλια παραμορφώνονται και ο όγκος του αέρα μέσα αλλάζει. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στους ερευνητές να μετρήσουν την αντίστοιχη αλλαγή πίεσης με έναν αισθητήρα πίεσης του εμπορίου, που παρέχει πληροφορίες σχετικά με το πώς το υλικό παραμορφώνεται.

«Αν τεντώσετε ένα λαστιχάκι, χρειάζεται λίγο χρόνο για να επιστρέψει στη θέση του. Αλλά επειδή χρησιμοποιούμε αέρα και οι παραμορφώσεις είναι σχετικά σταθερές, δεν παίρνουμε αυτές τις ίδιες ιδιότητες που εξαρτώνται από τον χρόνο. Οι πληροφορίες που προέρχονται από τον αισθητήρα μας είναι πολύ καθαρότερες», λέει η Chin.

Η ομάδα ενσωμάτωσε κανάλια στη δομή χρησιμοποιώντας ψηφιακή φωτοεκτύπωση 3D. Η μέθοδος περιλαμβάνει την ανάσυρση της δομής από μια δεξαμενή ρητίνης και τη σκλήρυνσή της σε ακριβές σχήμα χρησιμοποιώντας προβολημένο φως. Μια εικόνα προβάλλεται στην υγρή ρητίνη και οι περιοχές που χτυπηθούν από το φως σκληραίνονται.

Καθώς η διαδικασία προχωρεί, η κολλώδης ρητίνη σταγώνει και κολλάει μέσα στα κανάλια, που σημαίνει ότι η ομάδα έπρεπε να αφαιρέσει την περίσσεια ρητίνης πριν σκληρύνει. Αυτό το έκαναν χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό πεπιεσμένου αέρα, κενού και σχολαστικού καθαρισμού.

«Θα πρέπει να κάνουμε περισσότερη σκέψη από την πλευρά του σχεδιασμού για να σκεφτούμε αυτή τη διαδικασία καθαρισμού, επειδή είναι η κύρια πρόκληση», συνεχίζει η Chin.

Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτή τη διαδικασία για να δημιουργήσει πολλές δομές πλέγματος και επέδειξε πώς τα αεροπλήρη κανάλια θα μπορούσαν να παράγουν σαφείς πληροφορίες όταν οι δομές συμπιέζονταν ή κάμπτονταν.

Μαλακά Ρομπότ HSA

Η ομάδα ερευνητών ενσωμάτωσε επίσης αισθητήρες σε χειρόμορφες αυξητικές δομές διάτμησης (handed shearing auxetics, HSA), που είναι μια νέα τάξη υλικών που αναπτύχθηκαν για μαλακά ρομπότ που κινούνται με κινητήρες. Τα HSAs μπορούν να τεντωθούν και να συστραφούν ταυτόχρονα, επιτρέποντάς τους να λειτουργούν ως αποτελεσματικοί ενεργοποιητές μαλακών ρομπότ. Ωστόσο, τα HSAs είναι δύσκολο να εξοπλιστούν με δυνατότητα ανίχνευσης λόγω των σύνθετων μορφών τους.

Η ομάδα 3D-εκτύπωσε ένα από αυτά τα μαλακά ρομπότ HSA, το οποίο ήταν σε θέση να εκτελέσει διάφορες κινήσεις όπως κάμψη και στρέβλωση. Στη συνέχεια, το ρομπότ υποβλήθηκε σε μια σειρά κινήσεων για πάνω από 18 ώρες, και τα δεδομένα του αισθητήρα χρησιμοποιήθηκαν για να εκπαιδεύσουν ένα νευρωνικό δίκτυο που θα μπορούσε να προβλέψει ακριβώς την κίνηση του ρομπότ.

«Οι επιστήμονες των υλικών έχουν εργαστεί σκληρά για να βελτιώσουν τα υλικά με σχεδιασμένη εσωτερική δομή για λειτουργικότητα. Αυτό φαίνεται σαν μια απλή, αλλά πραγματικά ισχυρή ιδέα για να συνδέσει αυτά που οι ερευνητές έχουν κάνει με αυτό το πεδίο της αντίληψης. Μόλις προσθέσουμε αισθητηριακές ιδιότητες, τότε οι ερευνητές ρομποτικής όπως εγώ μπορούμε να το χρησιμοποιήσω ως ενεργό υλικό, όχι μόνο ως παθητικό», λέει η Chin.

«Ο εξοπλισμός μαλακών ρομπότ με συνεχείς αισθητήρες που μοιάζουν με δέρμα υπήρξε μια ανοιχτή πρόκληση στο πεδίο. Αυτή η νέα μέθοδος παρέχει ακριβείς δυνατότητες ιδιοδεκτικότητας για μαλακά ρομπότ και ανοίγει την πόρτα για την εξερεύνηση του κόσμου μέσω της αφής», συνεχίζει η Rus.

Η Chin και η ομάδα λένε ότι το μέλλον τέτοιων τεχνολογιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε πράγματα όπως κράνη αμερικανικού ποδοσφαίρου που είναι προσαρμοσμένα σε ένα συγκεκριμένο κεφάλι παίκτη. Αυτά τα κράνη θα έχουν αισθητήρες μέσα στη δομή τους, αυξάνοντας την ακρίβεια της ανατροφοδότησης από συγκρούσεις στο γήπεδο.