Noi materiale 3D imprimate care pot simți mișcările proprii

O echipă de cercetători de la MIT a dezvoltat o nouă metodă pentru imprimarea 3D a materialelor cu proprietăți mecanice reglabile, care le permite să simtă mișcările și interacțiunile proprii cu mediul. Echipa a creat structuri de detectare cu un singur material și o singură încercare pe o imprimantă 3D.

Mai întâi, au luat materiale cu structură de rețea create prin imprimare 3D și au incorporat rețele de canale umplute cu aer în structură în timpul procesului de imprimare. Apoi, au putut extrage informații despre modul în care se mișcă materialul prin măsurarea schimbărilor de presiune din interiorul canalelor atunci când structura este strânsă, îndoită sau întinsă.

Materialele cu structură de rețea sunt alcătuite din celule individuale într-un model repetitiv, și prin schimbarea dimensiunii sau formei celulelor, se modifică proprietățile mecanice ale materialului.

Noua tehnică ar putea ajuta în cele din urmă la crearea de roboți moi flexibili cu senzori încorporați care să le permită roboților să înțeleagă poziția și mișcările proprii. De asemenea, ar putea duce la dezvoltarea dispozitivelor inteligente purtabile personalizabile.

Lillian Chin este coautor principal și studentă doctorandă în cadrul Laboratorului de Informatică și Inteligență Artificială al MIT (CSAIL).

“Ideea acestei lucrări este că putem lua orice material care poate fi imprimat 3D și avem o modalitate simplă de a crea canale în interiorul său, astfel încât să putem obține senzorizarea structurii. Și dacă folosim materiale foarte complexe, atunci putem avea mișcare, percepție și structură într-una”, a spus Chin.

Articolul include și coautorul principal Ryan Truby, fost postdoctorand CSAIL și actual profesor asistent la Universitatea Northwestern; Annan Zhang, student doctorand CSAIL; și autorul senior Daniela Rus, profesorul Andrew și Erna Viterbi de inginerie electrică și informatică și director al CSAIL.

Cercetarea a fost publicată în Science Advances.

Tehnica de imprimare 3D

Echipa s-a bazat pe imprimarea 3D pentru a incorpora canale umplute cu aer direct în barele care formează rețeaua. Atunci când structura suferă mișcări sau este strânsă, canalele se deformează și volumul de aer din interior se schimbă. Acest proces permite cercetătorilor să măsoare schimbarea corespunzătoare de presiune cu un senzor de presiune standard, care oferă feedback despre modul în care se deformează materialul.

“Dacă întindeți o bandă de cauciuc, are nevoie de un timp pentru a reveni la forma inițială. Dar deoarece folosim aer și deformările sunt relativ stabile, nu obținem aceleași proprietăți variabile în timp. Informațiile care rezultă din senzorul nostru sunt mult mai clare”, spune Chin.

Echipa a incorporat canale în structură folosind imprimarea 3D cu proces de lumină digitală. Metoda implică extragerea structurii dintr-un bazin de rășină și încălzirea acesteia într-o formă precisă folosind lumină proiectată. O imagine este apoi proiectată pe rășina umedă și zonele lovite de lumină sunt solidificate.

Pe măsură ce procesul avansează, rășina lipicioasă picură și rămâne blocată în canale, ceea ce a însemnat că echipa a trebuit să îndepărteze excesul de rășină înainte de a fi solidificată. Au făcut acest lucru folosind un amestec de aer comprimat, vid și curățare intricată.

“Trebuie să facem mai multă brainstorming din punct de vedere al designului pentru a gândi despre procesul de curățare, deoarece acesta este principala noastră provocare”, continuă Chin.

Echipa a folosit această metodă pentru a crea mai multe structuri de rețea și a demonstrat modul în care canalele umplute cu aer pot genera feedback clar atunci când structurile sunt strânse sau îndoite.

Roboți moi HSA

Grupul de cercetători a incorporat, de asemenea, senzori în roboți moi cu auxetice de tăiere manuală (HSA), care sunt o nouă clasă de materiale dezvoltate pentru roboți moi motorizați. HSA pot fi întinse și răsucite în același timp, permițându-le să acționeze ca actuatori eficienți pentru roboți moi. Cu toate acestea, HSA sunt dificil de “senzorizat” din cauza formelor complexe.

Echipa a imprimat 3D unul dintre acești roboți moi HSA, care a putut efectua diverse mișcări, cum ar fi îndoirea și răsucirea. A fost apoi supus unor mișcări pentru mai mult de 18 ore, iar datele de la senzor au fost folosite pentru a antrena o rețea neurală care a putut prezice cu acuratețe mișcarea robotului.

“Oamenii de știință din domeniul materialelor au lucrat din greu pentru a optimiza materialele arhitecturate pentru funcționalitate. Aceasta pare a fi o idee simplă, dar foarte puternică, pentru a conecta ceea ce acești cercetători au făcut cu acest domeniu al percepției. De îndată ce adăugăm senzorizarea, atunci roboțiștii ca mine pot veni și folosi acest material ca unul activ, nu doar pasiv”, spune Chin.

“Senzorizarea roboților moi cu senzori continui de tip piele a fost o provocare deschisă în domeniu. Această nouă metodă oferă capacități proprioceptive precise pentru roboți moi și deschide ușa pentru explorarea lumii prin atingere”, continuă Rus.

Chin și echipa spun că viitorul acestei tehnologii ar putea duce la lucruri precum cască de fotbal personalizate pentru un anumit jucător. Aceste cască ar avea capacități de senzorizare în structura internă, sporind acuratețea feedback-ului de la coliziunile de pe teren.