Yeni 3D Yazıcı Malzemeler Kendi Hareketlerini Algılar

MIT’deki bir araştırma ekibi, malzemelerin mekanik özelliklerini ayarlayarak kendi hareketlerini ve çevreyle etkileşimlerini algılayabilen yeni bir 3D yazıcı malzeme geliştirme yöntemi buldu. Ekibin oluşturduğu algılama yapıları, tek bir malzeme ve tek bir 3D yazıcı denemesi ile oluşturuldu.

Araştırmacılar, 3D yazıcı kafes malzemelerine hava dolu kanallar ekleyerek began. Malzeme sıkıştırıldığında, büküldüğünde veya gerildiğinde, bu kanallardaki hava basıncındaki değişikliklere bakarak malzemenin nasıl hareket ettiğini ölçebilirler.

Kafes malzemeleri, tekrarlanan bir desende tek hücrelerden oluşur ve hücrelerin boyutu veya şekli değiştirilerek malzemenin mekanik özellikleri değiştirilebilir.

Bu yeni teknik, esnek yumuşak robotların geliştirilmesine yardımcı olabilir. Bu robotlar, kendi duruşlarını ve hareketlerini anlamalarına olanak tanıyan gömülü sensörlere sahip olabilir. Ayrıca, özelleştirilebilir giyilebilir akıllı cihazların geliştirilmesine de yol açabilir.

Lillian Chin, MIT Bilgisayar Bilimi ve Yapay Zeka Laboratuvarı’nda (CSAIL) yüksek lisans öğrencisi ve çalışmanın ortak lider yazarı.

“Bu çalışmanın amacı, 3D yazdırılabilen herhangi bir malzeme için basit bir şekilde kanalları yönlendirebilmektir, böylece yapı ile algılama arasında bir bağlantı kurabiliriz. Ve gerçekten karmaşık malzemeler kullanırsanız, hareket, algılama ve yapı tümünü bir arada elde edebilirsiniz” dedi Chin.

Makalede, ortak lider yazar Ryan Truby, eski CSAIL araştırma görevlisi ve şu anda Northwestern Üniversitesi’nde yardımcı profesör; Annan Zhang, CSAIL yüksek lisans öğrencisi; ve senior yazar Daniela Rus, Andrew ve Erna Viterbi Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi Profesörü ve CSAIL direktörü de yer alıyor.

Araştırma, Science Advances dergisinde yayımlandı.

3D Yazıcı Tekniği

Ekibin 3D yazıcı kullanarak kafeslerin direklerine doğrudan hava dolu kanallar eklemesi gerekiyor. Yapı hareket ettiğinde veya sıkıştırıldığında, kanallar deforme oluyor ve içindeki hava hacmi değişiyor. Bu süreç, araştırmacıların bir basınç sensörü ile basıncı ölçerek malzemenin nasıl deforme olduğunu anlamalarına olanak tanıyor.

“Bir lastiği germeye çalışırsanız, eski haline dönmesi biraz zaman alır. Ancak hava kullanıyoruz ve deformasyonlar nispeten sabit, bu nedenle aynı zaman-varying özelliklerini elde etmiyoruz. Sensörümüzden çıkan bilgi çok daha temiz” diyor Chin.

Ekibin dijital ışık işleme 3D yazıcı yöntemini kullanarak yapıları oluşturdu. Bu yöntemde, yapı bir reçine havuzundan çıkarılıyor ve projektör ışığı ile kesin bir şekil veriliyor. Bir resim, ıslak reçineye projektör ile yansıtılıyor ve ışığa maruz kalan alanlar sertleşiyor.

Sürecin ilerlemesiyle birlikte, yapışkan reçine damlacıkları kanallara giriyor ve bunlar, reçinenin sertleşmeden önce temizlenmesi gerekiyor. Ekibin bunu yapmak için basınçlı hava, vakum ve ayrıntılı temizlik kullanması gerekiyor.

“Tasarım açısından daha fazla beyin fırtınası yapmamız gerekiyor, çünkü bu temizleme süreci, ana zorluğumuz” diyor Chin.

Ekibin bu süreci kullanarak birkaç kafes yapısı oluşturması ve hava dolu kanalların yapılar sıkıştırıldığında veya büküldüğünde net geri bildirimler üretebilmesi mümkün oldu.

HSA Yumuşak Robotlar

Araştırmacılar, ayrıca motorlu yumuşak robotlar için geliştirilen yeni bir malzeme sınıfı olan elleşmiş kesme auxetiklere (HSA) sensörler entegre etti. HSA’ler aynı anda uzatılabilir ve bükülebilir, böylece etkili yumuşak robot aktüatörleri olarak görev yapabilir. Ancak HSA’lerin kompleks formları nedeniyle “sensörleştirilmesi” zor.

Ekibin 3D yazıcı kullanarak bir HSA yumuşak robot oluşturması ve çeşitli hareketler gerçekleştirmesi mümkün oldu. Robot, 18 saatten fazla hareket ettirildi ve sensör verisi, robotun hareketini doğru bir şekilde tahmin edebilen bir sinir ağı eğitimi için kullanıldı.

“Malzeme bilimcileri, malzeme işlevselliğini optimize etmek için çok çalıştılar. Bu, basit ama güçlü bir fikir gibi görünüyor, bu araştırmacıların neler yaptığını algılama alanıyla bağlantılı olarak. Sensörler eklediğimiz anda, robotikçiler gibi ben de bu malzemeyi aktif olarak kullanabilirim, sadece pasif olarak değil” diyor Chin.

“Yumuşak robotları sürekli deri benzeri sensörlerle sensörleştirmek, bu alanda açık bir zorluktu. Bu yeni yöntem, yumuşak robotlar için doğru propriyoseptif yetenekler sağlar ve dokunma yoluyla dünyayı keşfetme kapılarını aralar” diyor Rus.

Chin ve ekibi, bu teknolojinin geleceğinin, bir oyuncunun başına özel olarak tasarlanmış futbol kasklarına yol açabileceğini söylüyor. Bu kasklar, iç yapılarında sensörler içerebilir ve sahada çarpışmalar sırasında geri bildirimi daha doğru bir şekilde sağlayabilir.