Yeni 3D Baskılı Malzemeler Kendi Hareketlerini Algılıyor

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 baskı işlemi ile oluşturuldu.

Araştırmacılar önce 3D baskıyla üretilen kafes malzemelerini ele aldı ve baskı sırasında yapıya hava dolu kanal ağları ekledi. 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 doktora sonrası araştırmacısı ve şu anda Northwestern Üniversitesi’nde yardımcı profesör; Annan Zhang, CSAIL yüksek lisans öğrencisi; ve kıdemli 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

Ekip, kafesi oluşturan çubukların içine doğrudan hava dolu kanallar yerleştirmek için 3D baskıdan yararlandı. Yapı hareket ettiğinde veya sıkıştırıldığında, kanallar deforme oluyor ve içindeki hava hacmi değişiyor. Bu süreç, araştırmacıların piyasadan temin edilebilen bir basınç sensörüyle ilgili basınç değişimini 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 zamanla değişen özelliklerini elde etmiyoruz. Sensörümüzden çıkan bilgi çok daha temiz” diyor Chin.

Ekip, dijital ışık işleme yöntemiyle 3D baskı yaparak kanalları yapıya dahil etti. Bu yöntemde, yapı bir reçine havuzundan çıkarılıyor ve yansıtılan ışıkla sertleştirilerek hassas 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 burada sıkışıp kalıyor; bu nedenle ekibin fazla reçineyi sertleşmeden önce çıkarması gerekiyordu. Ekip bunu basınçlı hava, vakum ve ayrıntılı temizliğin birleşimiyle yaptı.

“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 kiral kayma auxetiklerine (handed shearing auxetics, HSA) sensörler entegre etti. HSA’ler aynı anda uzatılabilir ve burulabilir, 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 eğilme ve burulma gibi 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, tasarlanmış iç yapılara sahip malzemelerin işlevselliğini optimize etmek için çok çalıştılar. Bu, araştırmacıların yaptıklarıyla algılama alanını birleştiren basit ama çok güçlü bir fikir gibi görünüyor. Algılama eklediğimizde benim gibi robotik araştırmacıları bunu yalnızca pasif değil, aktif bir malzeme olarak da kullanabilir” 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 Amerikan futbolu kasklarına yol açabileceğini söylüyor. Bu kasklar, iç yapılarında sensörler içerebilir ve sahada çarpışmalar sırasında geri bildirimi daha doğru bir şekilde sağlayabilir.