Studiuesit e MIT kanë krijuar materiale të reja të programueshme të printimit 3D

Studiuesit e MIT kanë krijuar një metodë për printimin 3D të materialeve me veti mekanike të sintonizueshme, që kuptojnë se si ato lëvizin dhe ndërveprojnë me mjedisin. Studiuesit krijojnë këto struktura ndijore duke përdorur vetëm një material dhe një ekzekutim të vetëm në një printer 3D.

Për ta arritur këtë, studiuesit filluan me materiale grilë të printuara në 3D dhe inkorporuan rrjete kanalesh të mbushura me ajër në strukturë gjatë procesit të printimit. Duke matur se si presioni ndryshon brenda këtyre kanaleve kur struktura është e shtrydhur, e përkulur ose e shtrirë, inxhinierët mund të marrin reagime se si lëviz materiali.

Metoda hap mundësi për futjen e sensorëve brenda materialeve të arkitekturës, një klasë materialesh, vetitë mekanike të të cilave programohen përmes formës dhe përbërjes. Kontrolli i gjeometrisë së veçorive në materialet e arkitekturës ndryshon vetitë e tyre mekanike, të tilla si ngurtësia ose qëndrueshmëria. Për shembull, në strukturat celulare si grilat që studiuesit printojnë, një rrjet më i dendur qelizash bën një strukturë më të ngurtë.

Kjo teknikë mund të përdoret një ditë për të krijuar robotë të butë fleksibël me sensorë të integruar që u mundësojnë robotëve të kuptojnë qëndrimin dhe lëvizjet e tyre. Mund të përdoret gjithashtu për të prodhuar pajisje inteligjente të veshura që ofrojnë reagime se si një person lëviz ose ndërvepron me mjedisin e tij.

“Ideja me këtë punë është që ne mund të marrim çdo material që mund të printohet në 3D dhe të kemi një mënyrë të thjeshtë për të drejtuar kanalet nëpër të, në mënyrë që të mund të marrim sensorizim me strukturë. Dhe nëse përdorni materiale vërtet komplekse, atëherë mund të keni lëvizje, perceptim dhe strukturë të gjitha në një, “thotë autorja bashkë-drejtuese Lillian Chin, një studente e diplomuar në Laboratorin e Shkencave Kompjuterike dhe Inteligjencës Artificiale të MIT (CSAIL).

Bashkë-autori Ryan Truby, një ish postdoktor i CSAIL, i cili tani është asistent profesor në Universitetin Northwestern, i bashkohet Chin-it në këtë letër; Annan Zhang, një student i diplomuar në CSAIL; dhe autorja e lartë Daniela Rus, Andrew dhe Erna Viterbi Profesor i Inxhinierisë Elektrike dhe Shkencave Kompjuterike dhe drejtor i CSAIL. Punimi është publikuar sot në Science Advances.

Studiuesit i përqendruan përpjekjet e tyre në grilat, një lloj “materiali i arkitekturës”, i cili shfaq veti mekanike të personalizueshme bazuar vetëm në gjeometrinë e tij. Për shembull, ndryshimi i madhësisë ose formës së qelizave në grilë e bën materialin pak a shumë fleksibël.

Ndërsa materialet e arkitekturës mund të shfaqin veti unike, integrimi i sensorëve brenda tyre është sfidues duke pasur parasysh format shpesh të rralla dhe komplekse të materialeve. Vendosja e sensorëve në pjesën e jashtme të materialit është zakonisht një strategji më e thjeshtë sesa futja e sensorëve brenda materialit. Megjithatë, kur sensorët vendosen në pjesën e jashtme, reagimet që ata japin mund të mos japin një përshkrim të plotë se si materiali po deformohet ose lëviz.

Në vend të kësaj, studiuesit përdorën printimin 3D për të inkorporuar kanale të mbushura me ajër direkt në shiritat që formojnë rrjetën. Kur struktura zhvendoset ose shtrydhet, ato kanale deformohen dhe vëllimi i ajrit brenda ndryshon. Studiuesit mund të matin ndryshimin përkatës të presionit me një sensor presioni jashtë raftit, i cili jep reagime se si materiali po deformohet.

Për shkak se ato janë të përfshira në material, këta “sensorë të lëngshëm” ofrojnë përparësi ndaj materialeve konvencionale të sensorëve.

Studiuesit inkorporojnë kanale në strukturë duke përdorur printimin 3D të përpunimit të dritës dixhitale. Në këtë metodë, struktura nxirret nga një grup rrëshirë dhe ngurtësohet në një formë të saktë duke përdorur dritën e projektuar. Një imazh projektohet në rrëshirën e lagur dhe zonat e goditura nga drita shërohen.

Por ndërsa procesi vazhdon, rrëshira mbetet e mbërthyer brenda kanaleve të sensorit. Kërkuesve iu desh të hiqnin rrëshirën e tepërt përpara se të shërohej, duke përdorur një përzierje të ajrit nën presion, vakumit dhe pastrimit të ndërlikuar.

Ata e përdorën këtë proces për të krijuar disa struktura rrjetë dhe demonstruan se si kanalet e mbushura me ajër gjeneruan reagime të qarta kur strukturat ishin të shtrydhura dhe të përkulura.

“E rëndësishmja, ne përdorim vetëm një material për të printuar 3D strukturat tona të sensorizuara. Ne i anashkalojmë kufizimet e metodave të tjera të printimit 3D dhe fabrikimit multimaterial që zakonisht konsiderohen për modelimin e materialeve të ngjashme, “thotë Truby.

Duke u bazuar në këto rezultate, ata gjithashtu inkorporuan sensorë në një klasë të re materialesh të zhvilluara për robotët e butë të motorizuar të njohur si auxetics prerëse me dorë, ose HSA. HSA-të mund të përdredhohen dhe shtrihen njëkohësisht, gjë që u mundëson atyre të përdoren si aktivizues efektivë robotikë të butë. Por ato janë të vështira për t’u “sensorizuar” për shkak të formave të tyre komplekse.

Ata printuan 3D një robot të butë HSA të aftë për disa lëvizje, duke përfshirë përkuljen, përdredhjen dhe zgjatjen. Ata e drejtuan robotin përmes një sërë lëvizjesh për më shumë se 18 orë dhe përdorën të dhënat e sensorit për të trajnuar një rrjet nervor që mund të parashikonte me saktësi lëvizjen e robotit.

Chin ishte i impresionuar nga rezultatet – sensorët e lëngjeve ishin aq të sakta sa kishte vështirësi në dallimin midis sinjaleve që studiuesit u dërguan motorëve dhe të dhënave që vinin nga sensorët.

“Shkencëtarët e materialeve kanë punuar shumë për të optimizuar materialet e arkitekturës për funksionalitet. Kjo duket si një ide e thjeshtë, por vërtet e fuqishme për të lidhur atë që ata studiues kanë bërë me këtë fushë të perceptimit. Sapo të shtojmë ndjeshmërinë, atëherë robotistët si unë mund të hyjnë dhe ta përdorin këtë si një material aktiv, jo thjesht si pasiv,” thotë ajo.

“Sensorizimi i robotëve të butë me sensorë të vazhdueshëm të ngjashëm me lëkurën ka qenë një sfidë e hapur në këtë fushë. Kjo metodë e re ofron aftësi të sakta proprioceptive për robotët e butë dhe hap derën për të eksploruar botën përmes prekjes”, thotë Rus.

Në të ardhmen, studiuesit presin me padurim gjetjen e aplikacioneve të reja për këtë teknikë, si krijimi i ndërfaqeve të reja njeri-makinë ose pajisje të buta që kanë aftësi ndijuese brenda strukturës së brendshme. Chin është gjithashtu i interesuar të përdorë mësimin e makinerive për të shtyrë kufijtë e ndjeshmërisë së prekjes për robotikën.

“Përdorimi i prodhimit të aditivëve për ndërtimin e drejtpërdrejtë të robotëve është tërheqës. Ai lejon kompleksitetin që besoj se kërkohet për sistemet përgjithësisht adaptive, “thotë Robert Shepherd, profesor i asociuar në Shkollën Sibley të Inxhinierisë Mekanike dhe Hapësirës Ajrore në Universitetin Cornell, i cili nuk ishte i përfshirë në këtë punë. “Duke përdorur të njëjtin proces printimi 3D për të ndërtuar formën, mekanizmin dhe grupet e ndjeshmërisë, procesi i tyre do të kontribuojë ndjeshëm në synimin e studiuesve për të ndërtuar thjesht robotë kompleksë.”