Nye programmerbare materialer kan mærke deres egne bevægelser

MIT-forskere har udviklet en metode til 3D-print af materialer med justerbare mekaniske egenskaber, som kan fornemme, hvordan de bevæger sig og interagerer med miljøet. Forskerne skaber disse sansestrukturer ved hjælp af kun ét materiale og en enkelt kørsel på en 3D-printer.

For at opnå dette begyndte forskerne med 3D-printede gittermaterialer og inkorporerede netværk af luftfyldte kanaler i strukturen under udskrivningsprocessen. Ved at måle, hvordan trykket ændres i disse kanaler, når strukturen klemmes, bøjes eller strækkes, kan ingeniører modtage feedback om, hvordan materialet bevæger sig.

Disse gittermaterialer er sammensat af enkelte celler i et gentaget mønster. Ændring af størrelsen eller formen på cellerne ændrer materialets mekaniske egenskaber, såsom stivhed eller hårdhed. For eksempel giver et tættere netværk af celler en stivere struktur.

Denne teknik kunne en dag bruges til at skabe fleksible bløde robotter med indlejrede sensorer, der gør det muligt for robotterne at forstå deres kropsholdning og bevægelser. Det kan også bruges til at producere smarte enheder, der kan bæres, såsom tilpassede løbesko, der giver feedback om, hvordan en atlets fod påvirker jorden.

"Ideen med dette arbejde er, at vi kan tage ethvert materiale, der kan 3D-printes og har en enkel måde at dirigere kanaler igennem det, så vi kan få sensorisering med struktur. Og hvis du bruger virkelig komplekse materialer, så kan du have bevægelse , perception og struktur alt i én," siger co-lead-forfatter Lillian Chin, en kandidatstuderende i MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).

Med Chin på papiret er co-lead forfatter Ryan Truby, en tidligere CSAIL postdoc, som nu er assisterende professor ved Northwestern University; Annan Zhang, en CSAIL kandidatstuderende; og seniorforfatter Daniela Rus, Andrew og Erna Viterbi professor i elektroteknik og datalogi og direktør for CSAIL. Artiklen er udgivet i Science Advances .

Arkitekterede materialer

Forskerne fokuserede deres indsats på gitter, en type "arkitekteret materiale", som udviser tilpasselige mekaniske egenskaber udelukkende baseret på dets geometri. For eksempel vil ændring af størrelsen eller formen af ​​celler i gitteret gøre materialet mere eller mindre fleksibelt.

Mens arkitektonerede materialer kan udvise unikke egenskaber, er det notorisk udfordrende at integrere sensorer. Ingeniører skal typisk placere sensorer på ydersiden, hvilket er hårdt, fordi gitteret er fyldt med huller, så der er lidt materiale at arbejde med. Når sensorer er placeret på ydersiden, er de ikke fuldt integreret med materialet og kan blive påvirket af støj, der kommer fra et blødt materiales bevægelser.

I stedet brugte Chin og hendes samarbejdspartnere 3D-print til at inkorporere luftfyldte kanaler direkte i stiverne, der danner gitteret. Når strukturen flyttes eller klemmes, deformeres disse kanaler, og luftmængden inde ændres. Forskerne kan måle den tilsvarende trykændring med en tryksensor, der er klar til brug, som giver feedback på, hvordan materialet deformeres.

Fordi de er inkorporeret i materialet, er disse "væskesensorer" mere nøjagtige end sensorer placeret på ydersiden af ​​en struktur.

"Hvis man strækker et elastik ud, tager det lidt tid at komme på plads igen. Men da vi bruger luft, og deformationerne er relativt stabile, får vi ikke de samme tidsvarierende egenskaber. De oplysninger, der kommer frem. af vores sensor er meget renere," siger Chin.

"Sensorisering" strukturer

Forskerne indarbejder kanaler i strukturen ved hjælp af digital lysbehandling 3D-print. I denne metode trækkes strukturen ud af en pulje af harpiks og hærdes til en præcis form ved hjælp af projiceret lys. Et billede projiceres på den våde harpiks, og områder, der rammes af lyset, hærdes.

Men som processen fortsætter, har den klæbrige harpiks en tendens til at dryppe og sætte sig fast inde i kanalerne. Forskerne måtte arbejde hurtigt for at fjerne overskydende harpiks, før det blev hærdet, ved at bruge en blanding af trykluft, vakuum og indviklet rengøring.

"Vi bliver nødt til at lave mere brainstorming fra designsiden for at tænke over den rengøringsproces, da det er den største udfordring," siger hun.

De brugte denne proces til at skabe flere gitterstrukturer og demonstrerede, hvordan de luftfyldte kanaler genererede tydelig feedback, når strukturerne blev klemt og bøjet.

Ud fra disse resultater inkorporerede de også sensorer i en ny klasse af materialer udviklet til motoriserede bløde robotter kendt som handed shearing auxetics eller HSA'er. HSA'er kan vrides og strækkes samtidigt, hvilket gør dem i stand til at blive brugt som effektive bløde robotaktuatorer. Men de er svære at "sanse" på grund af deres komplekse former.

De 3D-printede en blød HSA-robot, der er i stand til flere bevægelser, herunder bøjning, vridning og forlængelse. De kørte robotten gennem en række bevægelser i mere end 18 timer og brugte sensordataene til at træne et neuralt netværk, der præcist kunne forudsige robottens bevægelse.

Chin var imponeret over resultaterne - de fluidiske sensorer var så nøjagtige, at hun havde svært ved at skelne mellem de signaler, forskerne sendte til motorerne, og de data, der kom tilbage fra sensorerne.

"Materialforskere har arbejdet hårdt på at optimere arkitekterede materialer til funktionalitet. Dette virker som en simpel, men virkelig kraftfuld idé til at forbinde, hvad disse forskere har gjort med denne perceptionsrige. Så snart vi tilføjer sansning, kan robotikere som mig kom ind og brug det her som et aktivt materiale, ikke bare et passivt," siger hun.

"Sensorisering af bløde robotter med kontinuerlige hudlignende sensorer har været en åben udfordring i feltet. Denne nye metode giver nøjagtige proprioceptive muligheder for bløde robotter og åbner døren for at udforske verden gennem berøring" siger Rus.

I fremtiden ser Chin frem til at finde nye applikationer til denne teknik, såsom at skabe fodboldhjelme, der er skræddersyet til en specifik spillers hoved, og som har sanseevner inden for den interne struktur. Dette kan øge nøjagtigheden af ​​feedback fra kollisioner på banen og forbedre spillernes sikkerhed. Hun er også interesseret i at bruge maskinlæring til at flytte grænserne for taktil sansning til robotteknologi. + Udforsk yderligere

Alsidig porøs fleksibel sensor fremstillet af fotohærdende 3D-printet ionogel