Uudet 3D-tulostetut materiaalit tuntevat oman liikkeensä

MIT:n tutkijaryhmä on kehittänyt uuden menetelmän 3D-tulostettujen materiaalien valmistamiseksi, joilla on säädettävissä olevia mekaanisia ominaisuuksia, mikä mahdollistaa niiden tunteman oman liikkeensä ja vuorovaikutuksensa ympäristön kanssa. Ryhmä loi anturirakenteet yhdellä aineella ja yhdellä kokeella 3D-tulostimella.

He ottivat ensin 3D-tulostetut verkkoaineet ja sisällyttivät niiden rakenteeseen ilman täytteisiä kanavia tulostusprosessin aikana. He voivat sitten poimia tietoa siitä, miten materiaali liikkuu, mittaamalla paineen muutoksia näissä kanavissa, kun rakenne on puristettu, taivutettu tai venytetty.

Verkkoaineet koostuvat yksittäisistä soluista toistuvassa kuviossa, ja solujen koon tai muodon muuttaminen muuttaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia.

Uusi tekniikka voi lopulta auttaa luomaan joustavia pehmeitä robottija, joissa on upotettuja antureita, jotka mahdollistavat robotin ymmärtää asentonsa ja liikkeensä. Se voi myös johtaa mukautuvien älylaitteiden kehittämiseen.

Lillian Chin on yhteinen johtava tekijä ja jatko-opiskelija MIT:n tietojenkäsittely- ja älytekniikkalaboratoriossa (CSAIL).

“Tämän työn idea on, että voimme ottaa minkä tahansa 3D-tulostettavan aineen ja löytää yksinkertaisen tavan reitittää kanavia sen läpi, jotta voimme saada anturin rakenteen. Ja jos käytät todella monimutkaisia aineita, voit saada liikkeen, havainnon ja rakenteen yhdistettyä”, Chin sanoo.

Tutkimuksessa on mukana myös yhteinen johtava tekijä Ryan Truby, entinen CSAIL:n post doc ja nykyinen apulaisprofessori Northwestern-yliopistossa; Annan Zhang, CSAIL:n jatko-opiskelija; ja vanhempi tekijä Daniela Rus, Andrew ja Erna Viterbin sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen professori ja CSAIL:n johtaja.

Tutkimus julkaistiin Science Advances-julkaisussa.

3D-tulostustekniikka

Ryhmä luotti 3D-tulostukseen, jotta voitiin sisällyttää ilman täytteisiä kanavia suoraan rakenteen tukipilareihin. Kun rakenne käy läpi liikettä tai puristetaan, kanavat muuttuvat ja ilman tilavuus kanavissa muuttuu. Tämä prosessi mahdollistaa tutkijoiden mitata vastaavan paineen muutoksen valmiilla paineanturilla, joka antaa palautetta siitä, miten materiaali muuttuu.

“Jos venytät kuminauhaa, se vie jonkin aikaa palata alkuperäiseen muotoonsa. Mutta koska käytämme ilmaa ja muodonmuutokset ovat suhteellisen vakaat, emme saa samoja aikariippuvia ominaisuuksia. Tieto, joka tulee meidän anturistamme, on paljon puhtaampaa”, Chin sanoo.

Ryhmä sisällytti kanavat rakenteeseen digitaalisen valokäsittelyn avulla 3D-tulostuksessa. Menetelmässä rakenne vedettiin ylös poolosta resinistä ja kovennettiin tarkkaan muotoon projisoitavan valon avulla. Kuva projisoitiin märälle resinille, ja alueet, jotka valo osui, kovettuivat.

Kun prosessi etenee, tarranomainen resin valuu ja jää kanaviin, mikä tarkoittaa, että ryhmän on poistettava ylimääräinen resin ennen kuin se kovettuu. He tekivät tämän käyttämällä ilmanpaineen, imun, ja tarkkaa puhdistusta.

“Meidän on tehtävä enemmän aivomyrskyä suunnittelun kannalta, jotta voimme ajatella sitä puhdistusprosessia, koska se on päähaaste”, Chin jatkaa.

Ryhmä käytti tätä prosessia luodakseen useita verkkostruktuureja ja osoittivat, miten ilman täytteiset kanavat voivat tuottaa selkeää palautetta, kun rakenteita puristetaan tai taivutetaan.

HSA-pehmeät robotit

Tutkijaryhmä sisällytti myös antureita käsiin, joissa on apu- ja auxetiikka (HSA), jotka ovat uusi aineiden luokka, jota kehitetään moottoroiduille pehmeille roboteille. HSA: t voivat venytä ja kiertyä samanaikaisesti, mikä mahdollistaa niiden toimimisen tehokkaina pehmeiden robottien toimijoina. HSA: t ovat kuitenkin vaikeita “anturistaa” monimutkaisten muotojensa vuoksi.

Ryhmä tulosti yhden näistä HSA-pehmeistä roboteista, joka pystyi suorittamaan erilaisia liikkeitä, kuten taivutusta ja kiertymistä. Se asetettiin sitten useiden liikkeiden sarjaan yli 18 tunnin ajan, ja anturidataa käytettiin kouluttamaan neuroverkkoa, joka voisi tarkalleen ennustaa robotin liikkeen.

“Materiaalitutkijat ovat työskennelleet ahkerasti optimoidakseen arkkitektoiduille materiaaleille toiminnallisuutta. Tämä näyttää yksinkertaiselta, mutta todella voimakkaalta idealta yhdistää, mitä nämä tutkijat ovat tehneet, tähän havainnon valtakuntaan. Kun lisäämme anturin, robottien kehittäjät voivat tulla ja käyttää tätä aktiivisena materiaalina, ei pelkästään passiivisena”, Chin sanoo.

“Pehmeiden robottien anturistaminen jatkuvilla, iholta tuntuvilla antureilla on ollut avoin haaste alan tutkijoille. Tämä uusi menetelmä tarjoaa tarkan propriozeptiivisen kyvyn pehmeille roboteille ja avaa oven tutkimiseen maailmaa kosketuksen kautta”, Rus jatkaa.

Chin ja ryhmä sanovat, että tällaisen teknologian tulevaisuus voi johtaa esimerkiksi jalkapallon pelien suojakäsineisiin, jotka on suunniteltu tietyn pelaajan päähän. Nämä käsineet sisältäisivät anturit sisäisessä rakenteessa, mikä lisäisi tarkkuutta palautteessa kenttäkosketuksista.