新的3D打印材料可以感知自己的运动

麻省理工学院的一组研究人员开发了一种新的方法，用于3D打印具有可调机械性能的材料，使其能够感知自己的运动和与环境的交互。该团队使用一种材料和一次3D打印尝试创建了感知结构。

他们首先将3D打印的格子材料并将空气充满的通道融入结构中。在打印过程中，他们可以通过测量结构被挤压、弯曲或拉伸时通道内的压力变化来获取材料运动的信息。

格子材料由单个细胞组成，按照重复的模式排列，通过改变细胞的大小或形状，可以改变材料的机械性能。

这种新技术最终可以帮助创造柔性软机器人，具有嵌入式传感器，使机器人能够理解自己的姿势和运动。它还可以导致可定制的可穿戴智能设备的发展。

Lillian Chin是共同第一作者，也是麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）的研究生。

“这个工作的想法是，我们可以取任何可以3D打印的材料，并且有一个简单的方法来在材料中布置通道，这样我们就可以获得结构的感知。如果你使用非常复杂的材料，那么你就可以拥有运动、感知和结构的全部功能，”Chin说。

该论文还包括共同第一作者Ryan Truby，他是CSAIL的前博士后和现任北西大学的助理教授；Annan Zhang，CSAIL的研究生；以及首席作者Daniela Rus，她是电气工程和计算机科学的Andrew和Erna Viterbi教授，也是CSAIL的主任。

该研究发表在Science Advances。

3D打印技术

该团队依靠3D打印技术直接将空气充满的通道融入格子的支撑结构中。当结构发生运动或被挤压时，通道会变形，内部空气的体积会改变。这一过程使研究人员能够使用一款普通的压力传感器来测量相应的压力变化，从而获得材料变形的反馈。

“如果你拉伸一个橡皮筋，它需要一些时间来恢复原状。但是由于我们使用空气，变形相对稳定，我们不会得到这些相同的时间变化特性。我们的传感器输出的信息非常干净，”Chin说。

该团队使用数字光处理3D打印技术将通道融入结构中。该方法涉及从树脂池中绘制结构，并使用投影光将其硬化成精确的形状。然后将图像投影到湿树脂上，受到光照的区域会固化。

在过程的后期，粘性的树脂会滴落并卡在通道内，这意味着该团队必须在树脂固化之前清除多余的树脂。他们使用压缩空气、真空和精细的清洁方法来实现这一点。

“我们需要进行更多的头脑风暴来思考清洁过程，因为这是主要的挑战，”Chin继续说。

该团队使用此过程创建了多个格子结构，并展示了空气充满的通道如何在结构被挤压或弯曲时生成清晰的反馈。

HSA软机器人

研究人员还将传感器融入手动剪切辅助材料（HSA）中，HSA是一种为电动软机器人开发的新型材料。HSA可以同时被拉伸和扭曲，使其成为有效的软机器人执行器。然而，HSA由于其复杂的形状，难以“传感化”。

该团队3D打印了一个HSA软机器人，它可以执行各种运动，如弯曲和扭转。然后，它被施加了一系列运动，持续18小时，传感器数据被用来训练一个神经网络，以准确预测机器人的运动。

“材料科学家一直在努力优化架构材料以获得功能性。这看起来像是一个简单却强大的想法，连接这些研究人员所做的工作与感知领域。只要我们添加感知，就可以让机器人学者像我一样使用这些材料，不仅仅作为被动材料，”Chin说。

“为软机器人提供连续的皮肤状传感器一直是该领域的一个挑战。这种新方法为软机器人提供了准确的本体感知能力，并为探索触觉世界打开了大门，”Rus继续说。

Chin和团队表示，这种技术的未来可能会导致诸如为特定球员头部定制的橄榄球头盔等事物。这些头盔将具有内置结构的感知能力，增加了对场上碰撞的反馈准确性。