Направи дарение на училище!

Изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) са разработили метод за 3D принтиране на материали с регулируеми механични свойства, които могат да усещат как се движат и взаимодействат с околната среда. Екипът от учени създава тези сензорни структури, използвайки само един материал и еднократна работа с 3D принтер. Първоначално изследователите стартирали проекта с 3D отпечатани решетъчни материали и впоследствие включили мрежи от пълни с въздух канали в структурата по време на процеса на печат. За да получат обратна информация за това как се движи материалът, инженерите измерили как се променя налягането в тези канали, когато структурата е притисната, огъната или разтегната. 

Решетъчните материали са съставени от единични клетки в повтарящ се модел. Промяната на размера или формата на клетките променя механичните свойства на материала, като твърдост – например по-плътната мрежа от клетки прави по-твърда структура.
Тази техника може в бъдеще да се използва за създаване на гъвкави меки роботи с вградени сензори, които да позволяват на роботите да разберат своите поза и движения. Може също да се използва за производство на интелигентни преносими устройства, като например персонализирани обувки за бягане, които предоставят обратна информация за това как стъпалото на спортиста се удря върху земята.

„Идеята на тази разработка е, че можем да вземем всеки материал, който може да бъде отпечатан на 3D принтер, и да имаме прост начин да прокараме канали в него, така че да получим сензорика със структура. А ако използваме наистина сложни материали, тогава можем да имаме движение, възприятие и структура в едно“, казва съавторът Лилиан Чин, дипломант в Лабораторията по компютърни науки и изкуствен интелект на MIT (CSAIL).

Разбери повече за БГ Наука:

***

Съавтори на изследването на Чин са водещият автор Райън Труби, бивш постдокторант на CSAIL, който сега е асистент в Северозападния университет; Анан Джан, завършил CSAIL студент; и старши автор Даниела Рус, професор към Факултета по електротехника и компютърно инженерство „Андрю и Ерна Витерби“ и директор на CSAIL. Статията е публикувана в Science Advances.

Конструктивни материали

Създадените решетки, вид „конструктивен материал“, показали персонализирани механични свойства, базирани единствено на собствената им геометрия. Например промяната на размера или формата на клетките в решетката прави материала повече или по-малко гъвкав.

За интегрирането на сензори в проявяващия уникални свойства материал, инженерите трябвало да поставят сензори отвън, което е трудно, защото решетката е пълна с дупки, така че има малко материал, с който може да се работи. Освен това, когато сензорите са поставени отвън, те не са напълно интегрирани с материала и могат да бъдат повлияни от шум, който идва от движенията на мекия материал.

Вместо това, Чин и нейните сътрудници са използвали 3D печат, за да включат пълни с въздух канали директно в подпорите, които образуват решетката. Когато структурата се премести или притисне, тези канали се деформират и обемът на въздуха вътре се променя. Изследователите могат да измерват съответната промяна в налягането с готов сензор за налягане, който дава обратна връзка за това как се деформира материалът.

Тъй като са включени в самия материал, тези „флуидни сензори“ са по-точни от сензорите, поставени от външната страна на конструкцията.
„Ако разтегнете гумена лента, отнема малко време, за да се върне на мястото си. Но тъй като използваме въздух и деформациите са относително стабилни, не получаваме същите тези променящи се във времето свойства. Информацията, която излиза на нашия сензор е много по-чиста“, казва Чин.

„Сензорни“ структури

Екипът от изследователите включили канали в структурата, използвайки 3D печат с цифрова обработка на светлината. При този метод структурата се извлича от вана със смола и се втвърдява в прецизна форма с помощта на проектирана светлина. Изображението се проектира върху мократа смола и зоните, поразени от светлината, се втвърдяват.
Но тъй като смолата капела и се всмуквала в каналите, учените трябвало да работят експедитивно, премахвайки излишната смола преди да се втвърди. За целта използвали смес от въздух под налягане, вакуум и сложно почистване.

След като екипът създава няколко решетъчни структури, демонстрира как пълните с въздух канали генерират ясна обратна връзка, когато структурите са притиснати и огънати.
След получаване на резултатите, екипът работил по проекта, включва тези сензори в нов клас материали, разработени за моторизирани меки роботи, известни като помощни материали за срязване с ръка или HSA. HSA могат да се усукват и разтягат едновременно, което им позволява да се използват като ефективни меки роботизирани задвижващи механизми. Но поради сложните си форми са трудни за „сензоризиране“.

Изследователският екип отпечатва 3D мек HSA робот, способен на няколко движения, включително огъване, усукване и удължаване. След това роботът бива преведен през поредица от движения за повече от 18 часа, за да обучат невронна мрежа, която може точно да предсказва движението на робота.
Чин е впечатлена от резултатите – флуидните сензори са толкова точни, че тя се затруднява да направи разлика между сигналите, които изследователите изпращат на двигателите, и данните, които се връщат от сензорите.

„Сензоризацията на меки роботи с непрекъснати сензори, подобни на кожата, е открито предизвикателство в тази област. Този нов метод осигурява точни проприоцептивни възможности за меки роботи и отваря вратата за изследване на света чрез докосване“, казва Рус.

В бъдеще Чин очаква с нетърпение да намери нови приложения за тази технология, като например създаване на футболни каски, пригодени за главата на конкретен играч, които имат сензорни способности във вътрешната структура. Това може да увеличи точността на обратната връзка от сблъсъци на терена и да подобри безопасността на играчите. Тя също се интересува от използването на машинно обучение за разширяване на границите на тактилното усещане за роботиката.

Превод: Красимира Русинова
Източник на първоначалната статия: https://techxplore.com/news/2022-08-programmable-materials-movements.html?fbclid=IwAR1R_TlL0L3wdZqP0R5U9zD7Myq5XZJ2CcTPUmcvwaLAzppRbj4pGp8Orqw

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!