I nuovi materiali stampati in 3D programmabili possono rilevare i propri movimenti
I ricercatori del MIT hanno sviluppato un metodo per la stampa 3D di materiali con proprietà meccaniche regolabili che rilevano come si muovono e interagiscono con l’ambiente. Le strutture di rilevamento vengono create utilizzando un solo materiale e una singola corsa su una stampante 3D.
Ciò è stato ottenuto iniziando con un materiale reticolare stampato in 3D e incorporando 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.
Il metodo apre opportunità per incorporare sensori all’interno di materiali architettonici, una classe di materiali le cui proprietà meccaniche sono programmate attraverso la forma e la composizione.
Le proprietà meccaniche, come rigidità o tenacità, vengono alterate nei materiali architettonici quando si controlla la geometria delle sue caratteristiche. Ad esempio, nelle strutture cellulari come i reticoli stampati dai ricercatori del MIT, una rete più densa di cellule rende una struttura più rigida.
Il MIT afferma che questa tecnica potrebbe un giorno essere utilizzata per creare robot morbidi e flessibili, con sensori incorporati che consentono ai robot di comprendere la loro postura e i loro movimenti.
Un’altra possibilità di questo metodo sono i dispositivi intelligenti indossabili che forniscono feedback su come una persona si muove o interagisce con il proprio ambiente. Potresti pensare che questa tecnologia sembri uscita da un film di fantascienza, ma ora è una possibilità realistica.
“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, allora hai movimento, percezione e struttura tutto in uno”, ha detto l’autrice co-lead Lillian Chin, una studentessa laureata presso il MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).
Insieme a Chin sul giornale c’è il co-autore principale Ryan Truby, un ex post-dottorato CSAIL che ora è assistente professore alla Northwestern University; Annan Zhang, una studentessa laureata CASIL; e l’autrice senior Daniela Rus, l’Andrea ed Erna Viterbi Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica e direttore di CSAIL.
Sebbene i materiali progettati possano esibire proprietà uniche, l’integrazione di sensori al loro interno è impegnativo date le forme complesse e spesso sparse dei materiali. Posizionare i sensori all’esterno del materiale è in genere una strategia più semplice rispetto all’incorporamento dei sensori all’interno del materiale.
Tuttavia, quando i sensori si trovano all’esterno del materiale, il feedback fornito potrebbe non fornire una descrizione completa di come il materiale si sta deformando o si sta muovendo.
La stampa 3D è stata utilizzata per incorporare canali pieni d’aria direttamente nei montanti che per il reticolo. Questo è il modo in cui gli ingegneri ricevono un feedback quando la struttura viene schiacciata o spostata, poiché i canali si deformano e il volume dell’aria cambia. La variazione di pressione corrispondente viene misurata con un sensore di pressione standard, che fornisce un feedback su come si sta deformando il materiale.
Poiché i “sensori fluidici” sono incorporati nel materiale, offrono vantaggi rispetto ai materiali per sensori convenzionali.
CON sensore fluidico
Il metodo utilizzato è la stampa 3D dell’elaborazione della luce digitale . Questo processo è stato utilizzato per creare molte delle strutture reticolari e ha dimostrato come i canali pieni d’aria generassero un chiaro feedback quando le strutture venivano schiacciate e piegate.
“È importante sottolineare che utilizziamo un solo materiale per stampare in 3D le nostre strutture sensorizzate, aggiriamo i limiti di altri metodi di produzione e stampa 3D multimateriale che sono generalmente considerati per modellare materiali simili”, ha affermato Truby.
Il team ha stampato in 3D un robot morbido HSA (handed shearing auxetics) capace di diversi movimenti, tra cui piegarsi, torcersi e allungarsi. Il robot è stato sottoposto a una serie di movimenti per più di 18 ore e ha utilizzato i dati del sensore per addestrare una rete neurale in grado di prevedere con precisione il movimento del robot.
Chin è rimasto colpito dai risultati. I sensori fluidici erano così accurati che aveva difficoltà a distinguere tra i segnali che i ricercatori inviavano ai motori ei dati che tornavano dai sensori.
Chin ha dichiarato: “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 l’invio, i robotici come me possono entrare e usarlo come materiale attivo, non solo passivo”.
Rus ha aggiunto: “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”.
“L’uso della produzione additiva per la costruzione diretta di robot è interessante. Tiene conto della complessità che credo sia richiesta per i sistemi generalmente adattivi”, ha affermato Robert Sheffield, professore associato presso la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering presso la Cornell University , che non è stato coinvolto in questo progetto.
Ha continuato: “Utilizzando lo stesso processo di stampa 3D per costruire la forma, il meccanismo e gli array di rilevamento, il loro processo contribuirà in modo significativo ai ricercatori che mirano a costruire semplicemente robot complessi”.
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.
Il MIT ha ospitato numerosi sviluppi della stampa 3D nelle ultime settimane, con un team di ricercatori che ha sviluppato sensori stampati in 3D per satelliti e altri presso l’istituto
