Нові матеріали, надруковані у 3D, відчувають власні рухи

Команда дослідників з Массачусетського технологічного інституту (MIT) розробила новий метод 3D-друку матеріалів із регульованими механічними властивостями, який дозволяє їм відчувати свої рухи та взаємодію з навколишнім середовищем. Команда створила чутливі структури з одного матеріалу та за один цикл друку на 3D-принтері.

Спочатку вони взяли матеріали з 3D-друку у вигляді сітки та включили до структури мережу повітряних каналів під час друку. Потім вони могли витягнути інформацію про те, як рухається матеріал, вимірявши зміни тиску всередині цих каналів, коли структура стискається, згинається або розтягується.

Сітчасті матеріали складаються з окремих клітин у повторюваному порядку, а зміна розміру або форми клітин змінює механічні властивості матеріалу.

Нова техніка в майбутньому може допомогти створити гнучких м’яких роботів з вбудованими сенсорами, які дозволять роботам зрозуміти свою позу та рухи. Це також може привести до розробки носимих розумних пристроїв, які можна налаштувати.

Ліліан Чин — одна з двох провідних авторів та аспірантка лабораторії комп’ютерних наук та штучного інтелекту MIT (CSAIL).

“Ідея цієї роботи полягає в тому, що ми можемо взяти будь-який матеріал, який можна надрукувати методом 3D-друку, і мати простий спосіб прокладення каналів всередині нього, щоб отримати сенсоризацію з структури. І якщо ви використовуєте дуже складні матеріали, то можете мати рух, сприйняття та структуру в одному,” каже Чин.

У статті також зазначений другий провідний автор Раян Трубі, колишній постдок CSAIL та нині асистент-професор Північно-Західного університету; Аннан Чжан, аспірантка CSAIL; та старша авторка Даніела Рус, професорка електротехніки та комп’ютерних наук на іменній посаді Ендрю та Ерни Вітербі й директорка CSAIL.

Дослідження було опубліковано в Science Advances.

Техніка 3D-друку

Команда використала 3D-друк, щоб включити повітряні канали безпосередньо до стрижнів, які утворюють сітку. Коли структура рухається або стискається, канали деформуються, а об’єм повітря всередині змінюється. Це дозволяє дослідникам виміряти відповідну зміну тиску за допомогою стандартного датчика тиску, який надає зворотний зв’язок про те, як деформується матеріал.

“Якщо ви розтягнете гумку, їй потрібно деякий час, щоб повернутися до свого місця. Але оскільки ми використовуємо повітря, а деформації відносно стабільні, ми не отримуємо таких самих властивостей, що змінюються з часом. Інформація, яка виходить з нашого сенсора, значно чистіша,” каже Чин.

Команда включила канали до структури за допомогою цифрової обробки світла при 3D-друці. Цей метод передбачає витягування структури з ванни зі смолою та її затвердіння в точній формі під дією проєктованого світла. Потім зображення проєктується на мокру смолу, а області, які потрапили під світло, затверднуються.

Під час процесу липка смола капає та застряє всередині каналів, що означало, що команді довелося видалити зайву смолу, перш ніж вона затверділа. Вони робили це, використовуючи суміш стисненого повітря, вакууму та ретельного очищення.

“Нам потрібно буде провести більше мозкових штурмів з боку дизайну, щоб подумати про цей процес очищення, оскільки це головна проблема,” продовжує Чин.

Команда використала цей процес, щоб створити кілька сітчастих структур та продемонструвати, як повітряні канали можуть генерувати чіткий зворотний зв’язок, коли структури стискаються або згинаються.

М’які роботизовані конструкції HSA

Група дослідників також включила сенсори до хіральних зсувних ауксетичних структур (handed shearing auxetics, HSA), які є новим класом матеріалів, розроблених для моторизованих м’яких роботів. HSA можуть розтягуватися та скручуватися одночасно, що дозволяє їм діяти як ефективні м’які роботизовані актуатори. Однак HSA складно “сенсоризувати” через їхню складну форму.

Команда надрукувала у 3D одного з цих м’яких роботів HSA, який міг виконувати різні рухи, такі як згинання та скручування. Потім його піддали серії рухів протягом понад 18 годин, а дані сенсорів використовували для навчання нейронної мережі, яка могла точно передбачити рух робота.

“Матеріалознавці працювали над оптимізацією матеріалів із цілеспрямовано спроєктованою структурою для функціональності. Це здається простою, але дуже потужною ідеєю, щоб зв’язати те, над чим працювали ці дослідники, з цією сферою сприйняття. Як тільки ми додаємо сенсоризацію, то робототехніки, як я, можуть використовувати це як активний матеріал, а не пасивний,” каже Чин.

“Сенсоризація м’яких роботів з безперервними сенсорами, подібними до шкіри, була відкритою проблемою в галузі. Цей новий метод забезпечує точні пропріоцептивні можливості для м’яких роботів та відкриває двері для дослідження світу через дотик,” продовжує Рус.

Чин та команда кажуть, що майбутнє такої технології може привести до створення таких речей, як шоломи для американського футболу, розроблені для конкретної голови гравця. Ці шоломи матимуть сенсорні можливості всередині внутрішньої структури, підвищуючи точність зворотного зв’язку від зіткнень на полі.