MIT-onderzoekers hebben een methode ontwikkeld voor het 3D-printen van materialen met instelbare mechanische eigenschappen, die kunnen voelen hoe ze bewegen en interactie hebben met de omgeving. De onderzoekers creëren deze sensorstructuren met slechts één materiaal en een enkele run op een 3D-printer.

Om dit te bereiken, begonnen de onderzoekers met 3D-geprinte roostermaterialen en integreerden tijdens het printproces netwerken van met lucht gevulde kanalen in de structuur. Door te meten hoe de druk verandert in deze kanalen wanneer de structuur wordt samengedrukt, gebogen of uitgerekt, kunnen ingenieurs feedback krijgen over hoe het materiaal beweegt.

Deze roostermaterialen zijn samengesteld uit afzonderlijke cellen in een zich herhalend patroon. Het veranderen van de grootte of vorm van de cellen verandert de mechanische eigenschappen van het materiaal, zoals stijfheid of hardheid. Een dichter netwerk van cellen zorgt bijvoorbeeld voor een stijvere structuur.

Deze techniek zou ooit kunnen worden gebruikt om flexibele zachte robots te maken met ingebouwde sensoren die de robots in staat stellen hun houding en bewegingen te begrijpen. Het kan ook worden gebruikt om draagbare slimme apparaten te produceren, zoals op maat gemaakte hardloopschoenen die feedback geven over hoe de voet van een atleet de grond raakt.

"Het idee met dit werk is dat we elk materiaal kunnen nemen dat 3D-geprint kan worden en een eenvoudige manier hebben om kanalen er doorheen te leiden, zodat we sensorisatie met structuur kunnen krijgen. En als je echt complexe materialen gebruikt, dan kun je beweging krijgen , perceptie en structuur in één", zegt co-lead auteur Lillian Chin, een afgestudeerde student aan het MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).

Bij Chin op het papier zijn co-hoofdauteur Ryan Truby, een voormalige CSAIL-postdoc die nu assistent-professor is aan de Northwestern University; Annan Zhang, een afgestudeerde CSAIL-student; en senior auteur Daniela Rus, de Andrew en Erna Viterbi hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen en directeur van CSAIL. Het artikel is gepubliceerd in Science Advances .

Gebouwde materialen

De onderzoekers richtten hun inspanningen op roosters, een soort 'gearchitectoneerd materiaal' dat aanpasbare mechanische eigenschappen vertoont die uitsluitend zijn gebaseerd op de geometrie ervan. Door bijvoorbeeld de grootte of vorm van cellen in het rooster te veranderen, wordt het materiaal min of meer flexibel.

Hoewel architectonische materialen unieke eigenschappen kunnen vertonen, is het integreren van sensoren notoir uitdagend. Ingenieurs moeten meestal sensoren aan de buitenkant plaatsen, wat moeilijk is omdat het rooster vol gaten zit, dus er is weinig materiaal om mee te werken. Wanneer sensoren aan de buitenkant worden geplaatst, zijn ze ook niet volledig geïntegreerd met het materiaal en kunnen ze worden beïnvloed door geluid dat afkomstig is van de bewegingen van een zacht materiaal.

In plaats daarvan gebruikten Chin en haar medewerkers 3D-printen om met lucht gevulde kanalen rechtstreeks op te nemen in de stijlen die het rooster vormen. Wanneer de structuur wordt verplaatst of samengedrukt, vervormen die kanalen en verandert het luchtvolume binnenin. De onderzoekers kunnen de bijbehorende drukverandering meten met een standaard druksensor, die feedback geeft over hoe het materiaal vervormt.

Omdat ze in het materiaal zijn verwerkt, zijn deze "fluïdische sensoren" nauwkeuriger dan sensoren die aan de buitenkant van een constructie zijn geplaatst.

"Als je een elastiekje uitrekt, duurt het even voordat het weer op zijn plaats zit. Maar omdat we lucht gebruiken en de vervormingen relatief stabiel zijn, krijgen we niet dezelfde tijdsafhankelijke eigenschappen. De informatie die eruit komt van onze sensor is een stuk schoner", zegt Chin.

Sensorstructuren

De onderzoekers nemen kanalen in de structuur op met behulp van 3D-printen met digitale lichtverwerking. Bij deze methode wordt de structuur uit een plas hars getrokken en met geprojecteerd licht tot een precieze vorm uitgehard. Er wordt een beeld geprojecteerd op de natte hars en gebieden die door het licht worden getroffen, worden uitgehard.

Maar naarmate het proces vordert, heeft de kleverige hars de neiging te druppelen en vast te komen zitten in de kanalen. De onderzoekers moesten snel werken om overtollig hars te verwijderen voordat het was uitgehard, met behulp van een mix van perslucht, vacuüm en ingewikkelde reiniging.

"We zullen meer moeten brainstormen vanaf de ontwerpkant om na te denken over dat schoonmaakproces, want dat is de grootste uitdaging", zegt ze.

Ze gebruikten dit proces om verschillende roosterstructuren te maken en demonstreerden hoe de met lucht gevulde kanalen duidelijke feedback genereerden wanneer de structuren werden samengedrukt en gebogen.

Voortbouwend op deze resultaten hebben ze ook sensoren opgenomen in een nieuwe klasse materialen die zijn ontwikkeld voor gemotoriseerde zachte robots, bekend als handed shearing auxetics of HSA's. HSA's kunnen tegelijkertijd worden gedraaid en uitgerekt, waardoor ze kunnen worden gebruikt als effectieve zachte robotactuatoren. Maar ze zijn moeilijk te 'sensoriseren' vanwege hun complexe vormen.

Ze 3D-printen een zachte HSA-robot die in staat is tot verschillende bewegingen, waaronder buigen, draaien en verlengen. Ze lieten de robot meer dan 18 uur lang een reeks bewegingen maken en gebruikten de sensorgegevens om een ​​neuraal netwerk te trainen dat de beweging van de robot nauwkeurig kon voorspellen.

Chin was onder de indruk van de resultaten:de vloeistofsensoren waren zo nauwkeurig dat ze moeite had om onderscheid te maken tussen de signalen die de onderzoekers naar de motoren stuurden en de gegevens die van de sensoren terugkwamen.

"Materiaalwetenschappers hebben hard gewerkt om architectonische materialen te optimaliseren voor functionaliteit. Dit lijkt een eenvoudig, maar echt krachtig idee om te verbinden wat die onderzoekers hebben gedaan met dit rijk van waarneming. Zodra we sensing toevoegen, kunnen robotici zoals ik kom binnen en gebruik dit als actief materiaal, niet alleen als passief", zegt ze.

"Het detecteren van zachte robots met continue huidachtige sensoren was een open uitdaging in het veld. Deze nieuwe methode biedt nauwkeurige proprioceptieve mogelijkheden voor zachte robots en opent de deur voor het verkennen van de wereld door middel van aanraking", zegt Rus.

In de toekomst kijkt Chin uit naar het vinden van nieuwe toepassingen voor deze techniek, zoals het maken van voetbalhelmen die zijn afgestemd op het hoofd van een specifieke speler met detectiemogelijkheden binnen de interne structuur. Dit zou de nauwkeurigheid van feedback van botsingen op het veld kunnen vergroten en de veiligheid van spelers kunnen verbeteren. Ze is ook geïnteresseerd in het gebruik van machine learning om de grenzen van tactiele detectie voor robotica te verleggen. + Verder verkennen

Veelzijdige poreuze flexibele sensor vervaardigd door fotocurable 3D-geprinte ionogel