新しい3Dプリンティング材料は自身の動きを感知する

MITの研究者チームは、3Dプリンティング材料に機械的特性を調整できる新しい方法を開発しました。これにより、材料は自身の動きや環境との相互作用を感知できるようになります。チームは、1つの材料と1つの3Dプリンターで感知構造を作成しました。

彼らはまず、3Dプリンティング格子材料に空気充填チャネルを組み込み、圧力の変化を測定して材料の動きを分析しました。格子材料は、繰り返しのパターンで単細胞から構成されており、細胞のサイズや形状を変更することで材料の機械的特性を変更できます。

この新しい技術は、将来的に柔軟なソフトロボットの開発に役立ち、ロボットが自身の姿勢や動きを理解できるようになる可能性があります。また、カスタマイズ可能なウェアラブルスマートデバイスの開発にもつながります。

リリアン・チンは、MITコンピュータサイエンスおよび人工知能研究所（CSAIL）の大学院生であり、共同筆頭著者です。

「この研究のアイデアは、3Dプリンティング可能な任意の材料に簡単な方法でチャネルをルーティングし、構造と感知を組み合わせることができるということです。複雑な材料を使用すると、動き、認識、構造がすべて一体化します」とチンは述べました。

研究論文には、共同筆頭著者ライアン・トゥルビー（元CSAILのポスドク、現在ノースウェスタン大学の助教授）、アナン・チャン（CSAILの大学院生）、およびシニア著者ダニエラ・ラス（電気工学およびコンピュータサイエンスのアンドリューおよびエルナ・ヴィテリビ教授、CSAILディレクター）が含まれています。

この研究は、Science Advancesに掲載されています。

3Dプリンティング技術

チームは、3Dプリンティングを使用して、格子の構造に直接空気充填チャネルを組み込みました。構造が動いたり圧縮されたりすると、チャネルが変形し、内部の空気の容積が変わります。このプロセスにより、研究者はオフザシェルフの圧力センサーを使用して圧力の変化を測定し、材料の変形に関するフィードバックを取得できます。

「ゴムバンドを伸ばすと、少し時間がかかって元に戻ります。しかし、空気を使用し、変形が比較的安定しているため、同じ時間依存の特性はありません。センサーから出る情報は非常にクリーンです」とチンは述べました。

チームは、デジタルライトプロセッシング3Dプリンティングを使用してチャネルを構造に組み込みました。この方法では、構造が樹脂のプールから引き出され、光を照射して精密な形状に硬化します。画像がウェット樹脂に投影され、光に当たった部分が固化されます。

プロセスが進むにつれて、粘性の高い樹脂が滴り、チャネル内に詰まるため、チームは固化前に余分な樹脂を除去する必要がありました。圧縮空気、真空、精密なクリーニングの組み合わせを使用してこれを実現しました。

「設計側でより多くのブレインストーミングを行う必要があります。クリーニングプロセスについて考える必要があります。なぜなら、それが主な課題だからです」とチンは続けました。

チームは、このプロセスを使用して複数の格子構造を作成し、空気充填チャネルが構造を圧縮または曲げたときに明確なフィードバックを生成できることを実証しました。

HSAソフトロボット

研究者グループはまた、ハンドシェアリングオーセティクス（HSAs）にセンサーを組み込みました。HSAsは、モータ化ソフトロボット用に開発された新しい材料クラスです。HSAsは同時に伸縮およびねじれできますが、複雑な形状であるため「センサ化」するのが難しいです。

チームは、1つのHSAソフトロボットを3Dプリンティングし、さまざまな動き（曲げ、ねじれなど）を実行できることを実証しました。その後、ロボットを18時間以上の動きのシーケンスに従わせ、センサーデータを使用してロボットの動きを予測できるニューラルネットワークをトレーニングしました。

「材料科学者は、構造化材料の機能を最適化するために努力を払ってきました。このアイデアは、シンプルながら強力なアイデアのようです。材料科学者が行ってきたことを、感知の領域と結び付けることができます。センシングを追加すると、ロボット工学者である私たちがこれをアクティブな材料として使用できます」とチンは述べました。

「ソフトロボットに連続したスキンライクセンサーを実装することは、分野で未解決の課題でした。この新しい方法により、ソフトロボットに正確な自己位置感覚能力が提供され、タッチを通じて世界を探索する扉が開かれます」とラスは述べました。

チンとチームは、このような技術の将来は、特定のプレーヤーの頭に合わせたフットボールヘルメットの開発につながる可能性があると述べています。これらのヘルメットには、内部構造内に感知能力が備わり、フィールドでの衝突からのフィードバックの精度が向上します。