Nya 3D-skrivna material kan känna sina egna rörelser

En grupp forskare vid MIT har utvecklat en ny metod för 3D-skrivning av material med justerbara mekaniska egenskaper, vilket möjliggör för dem att känna sina egna rörelser och interaktioner med omgivningen. Teamet skapade de känsliga strukturerna med ett material och ett enda försök på en 3D-skrivare.

De började med 3D-skrivna gittermaterial och införlivade nätverk av luftfyllda kanaler i strukturen under skrivprocessen. De kunde sedan extrahera insikt om hur materialet rör sig genom att mäta tryckförändringarna inom dessa kanaler när strukturen komprimeras, böjs eller sträcks.

Gittermaterialet består av enskilda celler i ett upprepat mönster, och genom att ändra cellernas storlek eller form ändras materialets mekaniska egenskaper.

Den nya tekniken kan så småningom hjälpa till att skapa flexibla mjuka robotar med inbyggda sensorer som möjliggör för robotarna att förstå sin hållning och rörelser. Den kan också leda till utvecklingen av bärbara smarta enheter som kan anpassas.

Lillian Chin är medförfattare och doktorand vid MIT:s datorvetenskapliga och artificiella intelligenslaboratorium (CSAIL).

“Idén med detta arbete är att vi kan ta vilket material som helst som kan 3D-skrivas och ha ett enkelt sätt att routa kanaler genom det så att vi kan få sensorisering med struktur. Och om du använder riktigt komplexa material, då kan du ha rörelse, perception och struktur allt i ett”, säger Chin.

Artikeln inkluderar också medförfattare Ryan Truby, tidigare postdoktor vid CSAIL och nuvarande biträdande professor vid Northwestern University; Annan Zhang, doktorand vid CSAIL; och seniorförfattare Daniela Rus, Andrew och Erna Viterbi-professor i elektroteknik och datavetenskap och chef för CSAIL.

Forskningen publicerades i Science Advances.

3D-skrivningsteknik

Teamet förlitade sig på 3D-skrivning för att införliva luftfyllda kanaler direkt i strukturerna som bildar gittern. När strukturen utsätts för rörelse eller komprimeras, deformeras kanalerna och luftvolymen inuti ändras. Detta tillåter forskarna att mäta den motsvarande tryckförändringen med en standard trycksensor, som ger feedback om hur materialet deformeras.

“Om du sträcker ut en gummiband, tar det lite tid att återgå till sin ursprungliga form. Men eftersom vi använder luft och deformationerna är relativt stabila, får vi inte samma tidsvarierande egenskaper. Informationen som kommer ut från vår sensor är mycket renare”, säger Chin.

Teamet införlivade kanaler i strukturen med hjälp av digital ljusbehandling 3D-skrivning. Metoden innebär att strukturen ritas ut från en pool av hartser och härdas till en exakt form med hjälp av projicerat ljus. En bild projiceras sedan på den fuktiga hartset och områden som träffas av ljuset härdas.

När processen fortskrider, fastnar den klibbiga hartset och blir kvar i kanalerna, vilket innebar att teamet var tvunget att ta bort allt överskottshartser innan det härdades. De gjorde detta genom att använda en kombination av tryckluft, vakuum och noggrann rengöring.

“Vi kommer att behöva göra mer brainstorming från designsidan för att tänka på den rensningsprocessen, eftersom det är den största utmaningen”, fortsätter Chin.

Teamet använde denna process för att skapa flera gitterstrukturer och demonstrerade hur luftfyllda kanaler kunde generera tydlig feedback när strukturerna komprimerades eller böjdes.

HSA mjuka robotar

Forskargruppen införlivade också sensorer i händer som skjuvar auxetics (HSAs), som är en ny klass av material utvecklade för motoriserade mjuka robotar. HSAs kan sträckas och vridas samtidigt, vilket gör dem till effektiva mjuka robotaktuatorer. Men HSAs är svåra att “sensorisera” på grund av deras komplexa former.

Teamet 3D-skrivde en av dessa HSA-mjuka robotar, som kunde utföra olika rörelser som böjning och vridning. Den utsattes sedan för en serie rörelser under mer än 18 timmar, och sensordata användes för att träna ett neuronnät som kunde förutsäga robotens rörelse med stor noggrannhet.

“Materialforskare har arbetat hårt för att optimera arkitekturerade material för funktion. Detta verkar som en enkel men mycket kraftfull idé för att koppla ihop vad dessa forskare har gjort med detta område av perception. Så fort vi lägger till sensorer, kan robotforskare som jag komma in och använda detta som ett aktivt material, inte bara ett passivt”, säger Chin.

“Att sensorisera mjuka robotar med kontinuerliga, hudliknande sensorer har varit en öppen utmaning inom området. Denna nya metod ger exakt proprioceptiv förmåga för mjuka robotar och öppnar dörren för att utforska världen genom beröring”, fortsätter Rus.

Chin och teamet säger att framtiden för denna teknik kan leda till saker som fotbollshjälmar anpassade till en specifik spelares huvud. Dessa hjälmar skulle ha sensorförmåga inom den inre strukturen, vilket ökar noggrannheten i feedback från kollisioner på planen.