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在3D打印材料中加入“空气”就可让打印产品“感知”自己的运动

时间:4个月前   阅读:18   评论:1

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麻省理工学院的研究人员开发了一种3D打印材料的方法,该方法具有可调的机械性能,可以感知材料的移动以及与环境的相互作用。研究人员仅用一种材料和一次3D打印机运行就创造出了这些传感结构。


为了实现这一目标,研究人员开始使用3d打印的晶格材料,并在打印过程中将充气通道网络整合到结构中。通过测量当结构被挤压、弯曲或拉伸时,这些通道内的压力如何变化,工程师可以收到材料如何移动的反馈。


这些晶格材料是由重复图案的单细胞组成的。改变电池的大小或形状会改变材料的机械性能,如刚度或硬度。例如,密集的细胞网络会形成更坚硬的结构。

这种技术有一天可以用于制造具有嵌入式传感器的柔性软机器人,使机器人能够理解自己的姿势和动作。它还可能被用于生产可穿戴的智能设备,比如定制的跑鞋,它可以对运动员的脚对地面的影响提供反馈。


“这项工作的想法是,我们可以采取任何可以3d打印的材料,并有一个简单的方法来贯穿它的渠道,所以我们可以获得结构的传感器。如果你使用非常复杂的材料,那么你可以将运动、感知和结构集于一身,”该研究的合著者、麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的研究生莉莉安·金(Lillian Chin)说。


构架的材料


研究人员将他们的精力集中在晶格上,这是一种“建筑材料”,它显示出完全基于几何形状的可定制的机械性能。例如,改变晶格中细胞的大小或形状会增加或减少材料的柔韧性。


虽然建筑材料可以展示独特的特性,但集成传感器是众所周知的挑战。工程师们通常必须将传感器放置在外部,这是很困难的,因为晶格上充满了孔洞,所以很少有材料可以使用。此外,当传感器放在外面时,它们不能与材料完全集成,可能会受到来自软材料运动的噪音的影响。


相反,Chin和她的合作者使用3D打印技术将充气通道直接融入到形成晶格的支柱中。当该结构被移动或挤压时,这些通道会变形,其中的空气体积也会发生变化。研究人员可以用现成的压力传感器测量相应的压力变化,它可以反馈材料如何变形。


由于它们被植入到材料中,这些“流体传感器”比放置在结构外部的传感器更精确。

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“如果你拉一根橡皮筋,需要一段时间才能恢复原位。但由于我们使用的是空气,而且变形相对稳定,所以我们没有得到这些相同的时变特性。我们的传感器产生的信息要干净得多。”Chin说。

“Sensorizing”结构


研究人员使用数字光处理3D打印技术将通道融入到结构中。在这种方法中,结构是从树脂池中绘制出来的,并使用投射光硬化成精确的形状。图像被投射到湿树脂上,被光照射的区域被固化。但随着这一过程的继续,粘稠的树脂倾向于滴入并卡在通道里。研究人员必须在固化前迅速去除多余的树脂,使用加压空气、真空和复杂的清洁。


她说我们必须从设计方面进行更多的头脑风暴,来考虑清洁过程,因为这是主要的挑战。


他们利用这一过程创建了几个晶格结构,并演示了当结构被挤压和弯曲时,充满空气的通道如何产生清晰的反馈。在这些结果的基础上,他们还将传感器集成到一种新型的材料中,这种材料是为机动软机器人开发的,被称为手剪助推器(HSAs)。HSAs可以同时被扭曲和拉伸,这使得它们可以作为有效的软机器人执行器。但由于其复杂的形态,它们很难被“感知”。


他们3D打印了一个HSA软机器人,能够进行多种运动,包括弯曲、扭转和拉长。他们让机器人进行了超过18个小时的一系列运动,并利用传感器数据训练神经网络,从而准确预测机器人的运动。


结果给Chin留下了深刻的印象——流体传感器是如此精确,以至于她很难区分研究人员发送给马达的信号和传感器返回的数据。


材料科学家一直在努力优化建筑材料的功能性。这似乎是一个简单而有力的想法,将那些研究人员一直在做的事情与感知领域联系起来。一旦我们加入传感,那么像我这样的机器人专家就可以进来,把它作为一种主动材料,而不仅仅是被动材料,用连续的皮肤状传感器对软机器人进行传感一直是该领域的一个公开挑战。这种新方法为软机器人提供了准确的本体感知能力,并打开了通过触摸探索世界的大门。


在未来,Chin期待为这项技术找到新的应用,比如为特定球员的头部量身打造具有内部结构传感能力的足球头盔。这可以提高球场碰撞反馈的准确性,并提高球员的安全性。她还对利用机器学习来推动机器人触觉感知的边界感兴趣。


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