Nieuwe 3D-geprinte robotstructuren kunnen in krappe ruimtes knijpen, zoals een scheur in de muur van een grot, spring over struikeldraad of kruip onder een voertuig - allemaal complexe legerrelevante functies die mensen onmogelijk veilig kunnen uitvoeren.

Onderzoekers van het Army's Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN), gevestigd aan het MIT, hebben een 3D-printplatform ontwikkeld dat zowel de modellering als het ontwerp van complexe magnetisch aangedreven apparaten mogelijk maakt. De nieuwe aanpak maakt gebruik van een 3D-printplatform dat is uitgerust met een elektromagneetmondstuk en een nieuw type 3D-printbare inkt doordrenkt met magnetische deeltjes. Hun bevindingen kunnen leiden tot nieuwe biomedische toepassingen, magnetische inkt geoptimaliseerd om de zachte robotfunctionaliteit te versterken, en nieuwe on-demand flexibele materiaalsystemen voor integratie in Soldier-systemen.

Zachte robotcapaciteiten en productie op het moment van nood behoren tot de belangrijkste onderzoeksprioriteiten van het leger.

Dit onderzoek wordt beheerd door Dr. Aura Gimm door het Army Research Office van het Amerikaanse legeronderzoekslaboratorium.

"Dit onderzoek heeft nieuwe inzichten opgeleverd over manieren om snelle veranderingen te veroorzaken in driedimensionale vormen van onderdelen zoals ledematen van robots. De MIT-groep demonstreerde dit succes met behulp van auxetische metamaterialen - synthetische composietmaterialen met een ongebruikelijke interne structuur en de ongebruikelijke eigenschap dat ze bij blootstelling aan externe magnetische aandrijving, ze kromp in zowel lengte- als dwarsrichting. Dit is anders dan typische auxetische materialen die direct mechanisch contact vereisen, en wanneer ze worden samengedrukt ondergaan ze samentrekking in de richtingen loodrecht op de uitgeoefende kracht (dit wordt de negatieve Poisson-verhouding genoemd). Integendeel, gewone materialen zetten uit in de richtingen die loodrecht staan ​​op de drukbelasting. In een voorbeeld uit dit onderzoek, via magnetische afstandsbediening, ze zorgden ervoor dat een metamateriaalstructuur 120 mm naar voren sprong binnen 0,7 s, wat erg snel is voor de huidige stand van de techniek. Deze sprong was te wijten aan een snelle afgifte van elastische en magnetische potentiële energie die in die structuur was opgeslagen. Dergelijke complexe vormveranderende structuren zouden een groot potentieel kunnen hebben voor het leger, omdat ze kunnen helpen bij het creëren van zachte robots - robots met buigzame ledematen die lijken op natuurlijke organismen. Vergeleken met de huidige generatie starre robots, zachte robots kunnen veel behendiger bewegen op een complex slagveld, " zei legeronderzoekslaboratorium Dr. Alex Hsieh.

Deze technologie kan het toekomstige leger in staat stellen magnetische 3D-geprinte structuren te fabriceren die kunnen kruipen, rollen, springen of grijpen ter ondersteuning van de relevante behoeften van het leger. Deze onderzoeksinspanning maakt het mogelijk de magnetische oriëntatie van nieuw 3D-geprinte apparaten te regelen, zodat ze snel kunnen veranderen in nieuwe ingewikkelde formaties of kunnen bewegen als verschillende secties reageren op een extern magnetisch veld. Functies die door deze complexe vormveranderingen worden gedemonstreerd, zijn onder meer herconfigureerbare zachte elektronica, mechanisch metamateriaal dat kan springen en een zachte robot die kan kruipen, rollen, snel bewegende objecten vangen of medicijnen afleveren.

Hoewel andere groepen magnetisch geactiveerde materialen hebben gefabriceerd om eenvoudige bewegingen uit te voeren, deze nieuwe benadering maakt zowel de modellering als het ontwerp van magnetisch bestuurde apparaatsecties mogelijk om complexe, voor het leger relevante zachte robottaken uit te voeren.

De aanpak is gebaseerd op het direct met inkt schrijven van een elastomeercomposiet dat ferromagnetische microdeeltjes bevat en het aanleggen van een magnetisch veld op de doseerkop tijdens het printen. De techniek heroriënteert deeltjes langs het aangelegde veld om gepatroneerde magnetische polariteit te geven aan gedrukte filamenten. Met deze methode kunnen de onderzoekers ferromagnetische domeinen programmeren in complexe 3D-geprinte zachte materialen om een ​​reeks voorheen ontoegankelijke transformatiemodi mogelijk te maken. De activeringssnelheid en vermogensdichtheid van de geprinte zachte materialen met geprogrammeerde ferromagnetische domeinen zijn orden van grootte groter dan bestaande 3D-geprinte actieve materialen.

"We hebben een printplatform en een voorspellend model ontwikkeld dat anderen kunnen gebruiken. Mensen kunnen hun eigen structuur en domeinpatronen ontwerpen, valideer ze met het model, en print ze om verschillende functies te activeren. Door complexe informatie over de structuur te programmeren, domein, en magnetisch veld, men kan zelfs intelligente machines printen zoals robots, " zei MIT-professor Xuanhe Zhao, een onderzoeker bij de ISN van het leger.