วัสดุพิมพ์ 3D แบบใหม่รับรู้การเคลื่อนไหวของตัวเองได้

ทีมนักวิจัยจาก MIT ได้พัฒนาเทคนิคใหม่สำหรับการพิมพ์ 3D วัสดุที่มีคุณสมบัติทางกลที่สามารถปรับได้ ซึ่งช่วยให้วัสดุสามารถรับรู้การเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมได้ ทีมงานได้สร้างโครงสร้างการรับรู้ด้วยวัสดุชนิดเดียวและการพิมพ์ 3D เพียงรอบเดียว

พวกเขาทำการนี้โดยนำวัสดุโครงตาข่าย 3D ที่พิมพ์แล้วและรวมเครือข่ายของช่องว่างที่เต็มไปด้วยอากาศเข้าไปในโครงสร้างระหว่างกระบวนการพิมพ์ จากนั้นพวกเขาสามารถดึงข้อมูลเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของวัสดุได้โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของความดันภายในช่องว่างเหล่านั้นเมื่อโครงสร้างถูกบีบอัด ดัดงอ หรือยืด

วัสดุโครงตาข่ายประกอบด้วยเซลล์เดียวในลวดลายที่ซ้ำกัน และการเปลี่ยนแปลงขนาดหรือรูปร่างของเซลล์จะทำให้คุณสมบัติทางกลของวัสดุเปลี่ยนแปลงไป

เทคนิคใหม่นี้อาจช่วยให้เกิดการสร้างหุ่นยนต์แบบอ่อนที่มีเซ็นเซอร์ฝังตัวที่ช่วยให้หุ่นยนต์เข้าใจท่าทางและเคลื่อนไหวของตนเองได้ นอกจากนี้ยังอาจนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์สมาร์ทที่สวมใส่ได้ซึ่งสามารถปรับแต่งได้

ลิลเลียน ชิน เป็นหนึ่งในผู้เขียนหลักร่วมและนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในห้องปฏิบัติการวิทยาการคอมพิวเตอร์และปัญญาประดิษฐ์ของ MIT (CSAIL)

“ความคิดในการทำงานนี้คือเราสามารถนำวัสดุใดๆ ที่สามารถพิมพ์ 3D ได้และสร้างวิธีการง่ายๆ ในการสร้างช่องทางผ่านโครงสร้างเพื่อให้ได้การรับรู้พร้อมกับโครงสร้าง และหากคุณใช้วัสดุที่ซับซ้อนมากๆ คุณจะสามารถมีการเคลื่อนไหว การรับรู้ และโครงสร้างทั้งหมดในหนึ่งเดียว” ชินกล่าว

บทความวิจัยยังรวมถึงผู้เขียนหลักร่วม ไรอัน ทรูบี อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกของ CSAIL และปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น แอนนัน จาง นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ CSAIL และผู้เขียนอาวุโส ดาเนียลา รัส ผู้ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์แอนดรูว์และเออร์นา วิตเทอร์บี สาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ และผู้อำนวยการ CSAIL

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Science Advances

เทคนิคการพิมพ์ 3D

ทีมงานได้พึ่งพาการพิมพ์ 3D เพื่อสร้างช่องว่างที่เต็มไปด้วยอากาศเข้าไปในค้ำยันที่ประกอบเป็นโครงตาข่ายโดยตรง เมื่อโครงสร้างเกิดการเคลื่อนไหวหรือถูกบีบ ช่องว่างจะเปลี่ยนรูปและปริมาตรของอากาศภายในจะเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของความดันโดยใช้เซ็นเซอร์ความดันที่มีจำหน่ายในตลาด ซึ่งให้ข้อมูลย้อนกลับเกี่ยวกับวิธีการที่วัสดุเปลี่ยนรูป

“หากคุณยืดยางออกไป มันจะใช้เวลาสักครู่ในการกลับเข้าสู่ตำแหน่งเดิม แต่เนื่องจากเรากำลังใช้อากาศและรูปทรงที่เปลี่ยนแปลงค่อนข้างมั่นคง เราจึงไม่ได้รับคุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาเช่นนั้น ข้อมูลที่ออกมาจากเซ็นเซอร์ของเรามีความชัดเจนมาก” ชินกล่าว

ทีมงานได้สร้างช่องว่างเข้าไปในโครงสร้างโดยใช้การพิมพ์ 3D แบบดิจิทัล ไลท์ โปรเซส ซึ่งเกี่ยวข้องกับการดึงโครงสร้างขึ้นจากอ่างเรซินและทำให้แข็งตัวเป็นรูปที่แม่นยำโดยใช้แสงโพรเจ็กต์ จากนั้นจะโพรเจ็กต์ภาพลงบนเรซินที่เปียกและพื้นที่ที่ถูกแสงจะถูกทำให้แข็งตัว

เมื่อกระบวนการดำเนินต่อไป เรซินที่เหนียวจะหยดและติดอยู่ในช่องว่าง ซึ่งหมายความว่าทีมงานต้องเอาเรซินส่วนเกินออกก่อนที่จะถูกทำให้แข็งตัว พวกเขาทำสิ่งนี้โดยใช้การผสมกันของอากาศอัด สุญญากาศ และการทำความสะอาดอย่างละเอียด

“เราจะต้องทำการคิดค้นเพิ่มเติมจากด้านการออกแบบเพื่อคิดเกี่ยวกับกระบวนการทำความสะอาด เนื่องจากเป็นความท้าทายหลัก” ชินต่อ

ทีมงานใช้กระบวนการนี้เพื่อสร้างโครงสร้างตาข่ายหลายชิ้นและแสดงให้เห็นว่าช่องว่างที่เต็มไปด้วยอากาศสามารถสร้างข้อมูลย้อนกลับที่ชัดเจนเมื่อโครงสร้างถูกบีบหรือดัดงอ

หุ่นยนต์แบบอ่อน HSA

กลุ่มนักวิจัยยังได้ฝังเซ็นเซอร์เข้าไปในโครงสร้างออกเซติกที่มีทิศทางการเฉือน (handed shearing auxetics หรือ HSA) ซึ่งเป็นวัสดุประเภทใหม่ที่พัฒนาสำหรับหุ่นยนต์แบบอ่อนที่มีเครื่องยนต์ HSAs สามารถยืดและบิดพร้อมกันได้ ทำให้พวกมันสามารถทำงานเป็นตัวขับเคลื่อนของหุ่นยนต์แบบอ่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพได้ อย่างไรก็ตาม HSAs ติดตั้งความสามารถในการรับรู้ได้ยาก เนื่องจากรูปทรงที่ซับซ้อน

ทีมงานได้พิมพ์ 3D หุ่นยนต์แบบอ่อน HSA หนึ่งตัว ซึ่งสามารถทำการเคลื่อนไหวต่างๆ เช่น การดัดงอและการบิดได้ จากนั้นจึงถูกนำไปผ่านการเคลื่อนไหวต่างๆ เป็นเวลากว่า 18 ชั่วโมง และข้อมูลเซ็นเซอร์ถูกใช้ในการฝึกเครือข่ายประสาทเทียมที่สามารถคาดการณ์การเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ได้อย่างแม่นยำ

“นักวิทยาศาสตร์วัสดุได้ทำงานอย่างหนักเพื่อปรับวัสดุแบบโครงสร้างให้มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับการทำงานนี้ ดูเหมือนเป็นความคิดที่ง่ายแต่มีพลังในการเชื่อมต่อระหว่างสิ่งที่นักวิจัยเหล่านั้นได้ทำกับด้านการรับรู้ และเมื่อเราบวกการรับรู้เข้าไปแล้ว นักวิจัยหุ่นยนต์อย่างฉันสามารถเข้ามาใช้วัสดุเหล่านี้ได้ไม่เพียงแต่ในฐานะวัสดุแบบพาสซีฟเท่านั้น แต่ยังเป็นวัสดุแบบแอคทีฟด้วย” ชินกล่าว

“การให้เซ็นเซอร์แก่หุ่นยนต์แบบอ่อนด้วยเซ็นเซอร์ที่เหมือนผิวหนังอย่างต่อเนื่องเป็นความท้าทายที่เปิดกว้างในด้านนี้ วิธีการใหม่นี้ให้ความสามารถในการรับรู้ตำแหน่งและการเคลื่อนไหวของตัวเองแก่หุ่นยนต์แบบอ่อนได้อย่างแม่นยำและเปิดประตูสู่การสำรวจโลกผ่านการสัมผัส” รัสต่อ

ชินและทีมงานกล่าวว่าอนาคตของเทคโนโลยีนี้อาจนำไปสู่สิ่งเช่น หมวกกันน็อกอเมริกันฟุตบอลที่ปรับให้เข้ากับรูปศีรษะของผู้เล่นแต่ละคน ซึ่งจะมีการฝังเซ็นเซอร์ไว้ภายในโครงสร้างเพื่อเพิ่มความแม่นยำของข้อมูลย้อนกลับจากการปะทะกันในสนาม