Nuevos materiales impresos en 3D que detectan sus propios movimientos

Un equipo de investigadores del MIT ha desarrollado un nuevo método para imprimir materiales en 3D con propiedades mecánicas ajustables, lo que les permite detectar sus propios movimientos y interacciones con el entorno. El equipo creó las estructuras de detección con un material y una sola prueba en una impresora 3D.

Primero, tomaron materiales en forma de rejilla impresos en 3D e incorporaron redes de canales llenos de aire en la estructura durante el proceso de impresión. Luego, pudieron extraer información sobre cómo se movía el material midiendo los cambios de presión dentro de estos canales cuando la estructura se comprimía, doblaba o estiraba.

Los materiales en forma de rejilla consisten en células individuales en un patrón repetitivo, y al cambiar el tamaño o la forma de las células, se alteran las propiedades mecánicas del material.

La nueva técnica podría ayudar eventualmente a crear robots suaves flexibles con sensores incorporados que permitan a los robots entender su postura y movimientos. También podría llevar al desarrollo de dispositivos inteligentes portátiles personalizables.

Lillian Chin es coautora principal y estudiante de posgrado en el Laboratorio de Ciencias de la Computación y Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL).

“La idea de este trabajo es que podemos tomar cualquier material que se pueda imprimir en 3D y tener una forma sencilla de encauzar canales a lo largo de él para obtener sensorización con estructura. Y si se utilizan materiales realmente complejos, entonces se puede tener movimiento, percepción y estructura en una sola cosa”, dijo Chin.

El artículo también incluye al coautor principal Ryan Truby, ex investigador postdoctoral de CSAIL y actual profesor asistente de la Universidad Northwestern; Annan Zhang, estudiante de posgrado de CSAIL; y la autora senior Daniela Rus, profesora de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y directora de CSAIL.

La investigación se publicó en Science Advances.

Técnica de impresión 3D

El equipo se basó en la impresión 3D para incorporar canales llenos de aire directamente en las barras que forman la rejilla. Cuando la estructura se mueve o se comprime, los canales se deforman y el volumen de aire en su interior cambia. Este proceso permite a los investigadores medir el cambio correspondiente en la presión con un sensor de presión estándar, lo que proporciona retroalimentación sobre cómo se deforma el material.

“Si se estira una banda de goma, tarda un poco en regresar a su lugar. Pero como estamos utilizando aire y las deformaciones son relativamente estables, no obtenemos las mismas propiedades que varían con el tiempo. La información que sale de nuestro sensor es mucho más clara”, dice Chin.

El equipo incorporó canales en la estructura utilizando la impresión 3D de procesamiento de luz digital. El método implica que la estructura se dibuja a partir de un grupo de resina y se endurece en una forma precisa utilizando luz proyectada. Luego, se proyecta una imagen en la resina húmeda y las áreas alcanzadas por la luz se curan.

A medida que el proceso avanza, la resina pegajosa gotea y se atasca dentro de los canales, lo que significaba que el equipo tuvo que eliminar cualquier exceso de resina antes de que se curara. Lo hicieron utilizando una mezcla de aire a presión, vacío y limpieza intrincada.

“Tendremos que hacer más lluvia de ideas desde el lado del diseño para pensar en ese proceso de limpieza, ya que es el principal desafío”, continúa Chin.

El equipo utilizó este proceso para crear varias estructuras en forma de rejilla y demostró cómo los canales llenos de aire podían generar retroalimentación clara cuando las estructuras se comprimían o se doblaban.

Robots suaves HSA

El grupo de investigadores también incorporó sensores en auxéticos de cizalladura manual (HSA), que son una nueva clase de materiales desarrollados para robots suaves motorizados. Los HSA pueden estirarse y retorcerse al mismo tiempo, lo que les permite actuar como actuales de robot suave efectivos. Sin embargo, los HSA son difíciles de “sensorizar” debido a sus formas complejas.

El equipo imprimió en 3D uno de estos robots suaves HSA, que pudo realizar varios movimientos como doblarse y retorcerse. Luego, se sometió a una serie de movimientos durante más de 18 horas, y los datos del sensor se utilizaron para entrenar una red neuronal que podría predecir con precisión el movimiento del robot.

“Los científicos de materiales han estado trabajando duro para optimizar materiales arquitectónicos para funcionalidad. Esto parece una idea simple, pero realmente poderosa, para conectar lo que esos investigadores han estado haciendo con este ámbito de la percepción. Tan pronto como agregamos sensorización, entonces los roboticistas como yo podemos entrar y usar esto como material activo, no solo pasivo”, dice Chin.

“Sensorizar robots suaves con sensores continuos como la piel ha sido un desafío abierto en el campo. Este nuevo método proporciona capacidades proprioceptivas precisas para robots suaves y abre la puerta para explorar el mundo a través del tacto”, continúa Rus.

Chin y el equipo dicen que el futuro de esta tecnología podría llevar a cosas como cascos de fútbol americano personalizados para la cabeza de un jugador específico. Estos cascos tendrían capacidades de detección dentro de la estructura interna, lo que aumentaría la precisión de la retroalimentación de las colisiones en el campo.