Nuovi materiali stampati in 3D che percepiscono i propri movimenti

Un team di ricercatori del MIT ha sviluppato un nuovo metodo per la stampa 3D di materiali con proprietà meccaniche regolabili, che consente loro di percepire i propri movimenti e le interazioni con l’ambiente. Il team ha creato le strutture di rilevamento con un materiale e un’unica prova su una stampante 3D.

Inizialmente, hanno preso materiali a lattice stampati in 3D e incorporato reti di canali pieni d’aria nella struttura durante il processo di stampa. Potevano quindi estrarre informazioni su come il materiale si muoveva misurando i cambiamenti di pressione all’interno di questi canali quando la struttura veniva compressa, piegata o stirata.

I materiali a lattice sono composti da celle singole in un pattern ripetuto e, cambiando la dimensione o la forma delle celle, le proprietà meccaniche del materiale vengono modificate.

La nuova tecnica potrebbe eventualmente aiutare a creare robot morbidi flessibili con sensori incorporati che consentono ai robot di comprendere la propria postura e i propri movimenti. Potrebbe anche portare allo sviluppo di dispositivi intelligenti indossabili personalizzabili.

Lillian Chin è co-autrice principale e studentessa di dottorato presso il MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).

“L’idea di questo lavoro è che possiamo prendere qualsiasi materiale che possa essere stampato in 3D e avere un modo semplice per instradare canali in tutta la struttura in modo che possiamo ottenere la sensorizzazione con la struttura. E se si utilizzano materiali molto complessi, allora si può avere movimento, percezione e struttura tutto in uno”, dice Chin.

L’articolo include anche il co-autore principale Ryan Truby, ex ricercatore post-dottorato del CSAIL e attuale professore assistente presso la Northwestern University; Annan Zhang, studentessa di dottorato del CSAIL; e l’autore senior Daniela Rus, professore di Ingegneria Elettrica e Informatica e direttore del CSAIL.

La ricerca è stata pubblicata su Science Advances.

Tecnica di stampa 3D

Il team si è basato sulla stampa 3D per incorporare canali pieni d’aria direttamente nelle travi che formano il lattice. Quando la struttura subisce movimenti o viene compressa, i canali si deformano e il volume d’aria all’interno cambia. Questo processo consente ai ricercatori di misurare il cambiamento corrispondente di pressione con un sensore di pressione standard, che fornisce feedback su come il materiale si sta deformando.

“Se si allunga una banda di gomma, ci vuole un po’ di tempo per tornare alla forma originale. Ma poiché stiamo utilizzando aria e le deformazioni sono relativamente stabili, non otteniamo le stesse proprietà variabili nel tempo. Le informazioni che escono dal nostro sensore sono molto più pulite”, dice Chin.

Il team ha incorporato canali nella struttura utilizzando la stampa 3D a processo di luce digitale. Il metodo prevede che la struttura venga disegnata da un pool di resina e indurita in una forma precisa utilizzando luce proiettata. Un’immagine viene quindi proiettata sulla resina umida e le aree colpite dalla luce vengono curate.

Man mano che il processo procede, la resina appiccicosa cola e si attacca all’interno dei canali, il che significa che il team ha dovuto rimuovere la resina in eccesso prima che si curasse. Ciò è stato fatto utilizzando una miscela di aria compressa, vuoto e pulizia intricata.

“Dovremo fare ulteriore brainstorming dal lato del design per pensare a quel processo di pulizia, poiché è la principale sfida”, continua Chin.

Il team ha utilizzato questo processo per creare diverse strutture a lattice e ha dimostrato come i canali pieni d’aria potessero generare feedback chiaro quando le strutture venivano compresse o piegate.

Robot morbidi HSA

Il gruppo di ricercatori ha anche incorporato sensori in handed shearing auxetics (HSA), che sono una nuova classe di materiali sviluppati per robot morbidi motorizzati. Gli HSA possono essere allungati e torsionati contemporaneamente, consentendo loro di agire come attuatori di robot morbidi efficaci. Tuttavia, gli HSA sono difficili da “sensorizzare” a causa delle loro forme complesse.

Il team ha stampato in 3D uno di questi robot morbidi HSA, che è stato in grado di eseguire vari movimenti come piegarsi e torcersi. È stato quindi sottoposto a una serie di movimenti per oltre 18 ore e i dati del sensore sono stati utilizzati per addestrare una rete neurale che poteva prevedere con precisione il movimento del robot.

“I ricercatori dei materiali hanno lavorato duramente per ottimizzare i materiali architettonici per la funzionalità. Questo sembra un’idea semplice, ma molto potente, per collegare ciò che quei ricercatori hanno fatto con questo regno della percezione. Non appena aggiungiamo il rilevamento, allora i robotici come me possono entrare e utilizzare questo come materiale attivo, non solo passivo”, dice Chin.

“Sensorizzare i robot morbidi con sensori continui simili alla pelle è stata una sfida aperta nel settore. Questo nuovo metodo fornisce capacità propriocettive accurate per i robot morbidi e apre la porta per esplorare il mondo attraverso il tatto”, continua Rus.

Chin e il team dicono che il futuro di questa tecnologia potrebbe portare a cose come caschi da football personalizzati per la testa di un giocatore specifico. Questi caschi avrebbero capacità di rilevamento all’interno della struttura interna, aumentando l’accuratezza del feedback dalle collisioni in campo.