I nuovi materiali programmabili possono percepire i propri movimenti
Gli ingegneri stampano in 3D materiali con reti di sensori direttamente incorporate.
I ricercatori del MIT hanno sviluppato un metodo per la stampa 3D di materiali con proprietà meccaniche regolabili, che possono percepire come si muovono e interagiscono con l’ambiente. I ricercatori creano queste strutture di rilevamento utilizzando un solo materiale e una singola corsa su una stampante 3D.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno iniziato con materiali reticolari stampati in 3D e hanno incorporato reti di canali pieni d’aria nella struttura durante il processo di stampa. Misurando come cambia la pressione all’interno di questi canali quando la struttura viene schiacciata, piegata o allungata, gli ingegneri possono ricevere feedback su come si muove il materiale.
Questi materiali reticolari sono composti da singole celle in uno schema ripetuto. La modifica della dimensione o della forma delle celle altera le proprietà meccaniche del materiale, come la sua rigidità o durezza. Ad esempio, una rete più densa di cellule rende una struttura più rigida.
Questa tecnica potrebbe un giorno essere utilizzata per creare robot morbidi flessibili con sensori incorporati che consentono ai robot di comprendere la loro postura e i loro movimenti. Potrebbe anche essere utilizzato per produrre dispositivi intelligenti indossabili che forniscono feedback su come una persona si muove o interagisce con il proprio ambiente.
“L’idea con questo lavoro è che possiamo prendere qualsiasi materiale che può essere stampato in 3D e avere un modo semplice per instradare i canali attraverso di esso in modo da poter ottenere la sensorizzazione con la struttura. E se usi materiali davvero complessi, puoi avere movimento, percezione e struttura tutto in uno”, afferma Lillian Chin, co-autore principale, uno studente laureato presso il MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).
Insieme a Chin sul giornale ci sono il co-autore principale Ryan Truby, un ex post-dottorato CSAIL che ora è assistente professore alla Northwestern University; Annan Zhang, una studentessa laureata CSAIL; e l’autrice senior Daniela Rus, l’Andrea ed Erna Viterbi Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica e direttore di CSAIL. L’articolo è pubblicato oggi su Science Advances .
Materiali architettati
I ricercatori hanno concentrato i loro sforzi sui reticoli, un tipo di “materiale architettato”, che mostra proprietà meccaniche personalizzabili basate esclusivamente sulla sua geometria. Ad esempio, la modifica della dimensione o della forma delle celle nel reticolo rende il materiale più o meno flessibile.
Mentre i materiali progettati possono mostrare proprietà uniche, l’integrazione dei sensori è notoriamente una sfida. Gli ingegneri in genere devono posizionare i sensori all’esterno, il che è resistente perché il reticolo è pieno di fori, quindi c’è poco materiale con cui lavorare. Inoltre, quando i sensori sono posizionati all’esterno, non sono completamente integrati con il materiale e possono essere influenzati dal rumore proveniente dai movimenti di un materiale morbido.
Invece, Chin e i suoi collaboratori hanno utilizzato la stampa 3D per incorporare canali pieni d’aria direttamente nei montanti che formano il reticolo. Quando la struttura viene spostata o schiacciata, quei canali si deformano e il volume d’aria all’interno cambia. I ricercatori possono misurare la corrispondente variazione di pressione con un sensore di pressione standard, che fornisce un feedback su come si sta deformando il materiale.
Poiché sono incorporati nel materiale, questi “sensori fluidici” sono più precisi dei sensori posti all’esterno di una struttura.
“Se stendi un elastico, ci vuole un po’ di tempo per tornare a posto. Ma poiché stiamo usando l’aria e le deformazioni sono relativamente stabili, non otteniamo queste stesse proprietà variabili nel tempo. Le informazioni che escono dal nostro sensore sono molto più pulite”, afferma Chin.
Strutture “sensoriali”.
I ricercatori incorporano i canali nella struttura utilizzando la stampa 3D dell’elaborazione della luce digitale. In questo metodo, la struttura viene estratta da una pozza di resina e indurita in una forma precisa utilizzando la luce proiettata. Un’immagine viene proiettata sulla resina bagnata e le aree colpite dalla luce vengono polimerizzate.
Ma mentre il processo continua, la resina appiccicosa tende a gocciolare e rimanere bloccata all’interno dei canali. I ricercatori hanno dovuto lavorare rapidamente per rimuovere la resina in eccesso prima che fosse polimerizzata, utilizzando una miscela di aria pressurizzata, vuoto e una pulizia complessa.
Hanno utilizzato questo processo per creare diverse strutture reticolari e hanno dimostrato come i canali pieni d’aria generassero un chiaro feedback quando le strutture venivano schiacciate e piegate.
Basandosi su questi risultati, hanno anche incorporato sensori in una nuova classe di materiali sviluppati per robot motorizzati noti come ausili di taglio manuale o HSA. Gli HSA possono essere ruotati e allungati contemporaneamente, il che consente loro di essere utilizzati come efficaci attuatori robotici morbidi. Ma sono difficili da “sensorizzare” a causa delle loro forme complesse.
Hanno stampato in 3D un robot morbido HSA capace di diversi movimenti, tra cui piegarsi, torcersi e allungarsi. Hanno eseguito il robot attraverso una serie di movimenti per più di 18 ore e hanno utilizzato i dati del sensore per addestrare una rete neurale in grado di prevedere con precisione il movimento del robot.
Chin è rimasta colpita dai risultati: i sensori fluidici erano così accurati che aveva difficoltà a distinguere tra i segnali che i ricercatori inviavano ai motori e i dati che tornavano dai sensori.
“Gli scienziati dei materiali hanno lavorato duramente per ottimizzare la funzionalità dei materiali progettati. Questa sembra un’idea semplice, ma davvero potente per collegare ciò che quei ricercatori hanno fatto con questo regno della percezione. Non appena aggiungiamo il rilevamento, i robotici come me possono entrare e usarlo come materiale attivo, non solo passivo”, dice.
“Sensorizzare robot morbidi con sensori continui simili alla pelle è stata una sfida aperta sul campo. Questo nuovo metodo fornisce capacità propriocettive accurate per i robot morbidi e apre le porte all’esplorazione del mondo attraverso il tatto”, afferma Rus.
In futuro, i ricercatori non vedono l’ora di trovare nuove applicazioni per questa tecnica, come la creazione di nuove interfacce uomo-macchina o dispositivi morbidi con capacità di rilevamento all’interno della struttura interna. Chin è anche interessato all’utilizzo dell’apprendimento automatico per spingere i confini del rilevamento tattile per la robotica.
Questa ricerca è stata supportata, in parte, dalla National Science Foundation, dallo Schmidt Science Fellows Program in collaborazione con il Rhodes Trust, una NSF Graduate Fellowship e la Fannie and John Hertz Foundation.
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Scritto da Adam Zewe, MIT News Office
