Nuovi materiali stampati in 3D percepiscono i propri movimenti

Un team di ricercatori del MIT ha sviluppato un nuovo metodo per materiali di stampa 3D 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 solo materiale e una singola prova su una stampante 3D. 

Per prima cosa hanno preso materiali reticolari stampati in 3D e hanno incorporato reti di canali pieni d'aria nella struttura durante il processo di stampa. Potrebbero quindi estrarre informazioni su come si muove il materiale misurando i cambiamenti di pressione all'interno di questi canali quando la struttura viene schiacciata, piegata o allungata. 

I materiali del reticolo sono costituiti da singole celle in uno schema ripetuto e, modificando la dimensione o la forma delle celle, le proprietà meccaniche del materiale vengono alterate. 

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

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

“L'idea con questo lavoro è che possiamo prendere qualsiasi materiale che può essere stampato in 3D e avere un modo semplice per instradare i canali attraverso di esso in modo da poter ottenere la sensorizzazione con la struttura. E se usi materiali davvero complessi, allora puoi avere movimento, percezione e struttura tutto in uno", ha detto Chin. 

Il documento include anche il co-autore principale Ryan Truby, ex postdoc CSAIL e attuale assistente professore alla Northwestern University; Annan Zhang, una studentessa laureata CSAIL; e l'autrice senior Daniela Rus, Andrew ed Erna Viterbi Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica e direttrice del CSAIL. 

La ricerca è stata pubblicata in Anticipi Scienza. 

Tecnica di stampa 3D

Il team si è affidato alla stampa 3D per incorporare canali pieni d'aria direttamente nei montanti che formano il reticolo. Quando la struttura subisce un movimento o viene schiacciata, i canali si deformano e il volume d'aria all'interno cambia. Questo processo consente ai ricercatori di misurare il corrispondente cambiamento di pressione con un sensore di pressione standard, che fornisce un feedback su come il materiale si sta deformando. 

“Se allunghi un elastico, ci vuole un po' di tempo per tornare a posto. Ma poiché stiamo usando l'aria e le deformazioni sono relativamente stabili, non otteniamo queste stesse proprietà variabili nel tempo. Le informazioni che escono dal nostro sensore sono molto più chiare", afferma Chin.

Il team ha incorporato i canali nella struttura utilizzando la stampa 3D con elaborazione della luce digitale. Il metodo prevede che la struttura venga estratta da un pool di resina e indurita in una forma precisa utilizzando la luce proiettata. Viene quindi proiettata un'immagine sulla resina bagnata e le aree colpite dalla luce vengono polimerizzate. 

Man mano che il processo avanza, la resina appiccicosa gocciola e rimane bloccata all'interno dei canali, il che significa che il team ha dovuto rimuovere l'eventuale resina in eccesso prima che fosse indurita. Lo hanno fatto utilizzando un mix di aria pressurizzata, vuoto e pulizia complessa.

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

Il team ha utilizzato questo processo per creare diverse strutture reticolari e ha dimostrato come i canali pieni d'aria potrebbero generare un chiaro feedback quando le strutture vengono schiacciate o piegate.

Robot morbidi HSA

Il gruppo di ricercatori ha anche incorporato i sensori negli auxetici di taglio a mano (HSA), che sono una nuova classe di materiali sviluppati per robot morbidi motorizzati. Gli HSA possono essere allungati e attorcigliati allo stesso tempo, consentendo loro di agire come efficaci attuatori di robot morbidi. 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, 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 in grado di prevedere con precisione il movimento del robot. 

“Gli scienziati dei materiali hanno lavorato duramente per ottimizzare i materiali progettati per la funzionalità. Questa sembra un'idea semplice, ma davvero potente per collegare ciò che quei ricercatori hanno fatto con questo regno della percezione. Non appena aggiungiamo il rilevamento, i robotici come me possono entrare e usarlo come materiale attivo, non solo passivo ", afferma Chin.

“Sensorizzare robot morbidi con sensori continui simili alla pelle è stata una sfida aperta nel campo. Questo nuovo metodo fornisce accurate capacità propriocettive per i robot morbidi e apre le porte all'esplorazione del mondo attraverso il tatto", continua Rus. 

Chin e il team affermano che il futuro di tale tecnologia potrebbe portare a cose come caschi da football su misura per la testa di un giocatore specifico. Questi caschi avrebbero capacità di rilevamento all'interno della struttura interna, aumentando la precisione del feedback dalle collisioni sul campo.