MIT mokslininkai sukūrė 3D spausdinimo medžiagų su derinamų mechaninių savybių metodą, kuris nustato, kaip jos juda ir sąveikauja su aplinka. Tyrėjai kuria šias jutimo struktūras naudodami tik vieną medžiagą ir vieną paleidimą 3D spausdintuvu.
Norėdami tai padaryti, mokslininkai pradėjo nuo 3D spausdintų grotelių medžiagų ir įtraukė oro užpildytų tinklų tinklus. spausdinimo proceso metu patenka į struktūrą. Matuodami, kaip kinta slėgis šiuose kanaluose, kai konstrukcija suspaudžiama, lenkiama ar ištempiama, inžinieriai gali gauti grįžtamąjį ryšį apie tai, kaip medžiaga juda.
Šis metodas atveria galimybes įterpti jutiklius. architektūrinės medžiagos – medžiagų klasė, kurios mechaninės savybės užprogramuotos per formą ir kompoziciją. Valdant architektūrinių medžiagų ypatybių geometriją, pakeičiamos jų mechaninės savybės, pvz., standumas ar kietumas. Pavyzdžiui, ląstelių struktūrose, tokiose kaip gardelės, kurias spausdina tyrėjai, tankesnis ląstelių tinklas daro tvirtesnę struktūrą.
Šią techniką kada nors būtų galima panaudoti kuriant lanksčius minkštus robotus su įterptais jutikliais, kurie įgalintų kad robotai suprastų savo laikyseną ir judesius. Jis taip pat gali būti naudojamas gaminant nešiojamus išmaniuosius įrenginius, kurie suteikia grįžtamąjį ryšį apie tai, kaip žmogus juda ar sąveikauja su aplinka.
„Šio darbo idėja yra ta, kad galime paimti bet kokią medžiagą, kuri gali būti atspausdintas 3D formatu ir turi paprastą būdą nukreipti kanalus per jį, kad galėtume gauti jutiklių su struktūra. Ir jei naudojate tikrai sudėtingas medžiagas, galite turėti judesį, suvokimą ir struktūrą viename“, – sako viena iš pagrindinių autorių Lillian Chin, MIT kompiuterių mokslo ir dirbtinio intelekto laboratorijos (CSAIL) absolventė.
Straipsnyje prie Chin prisijungia vienas iš pagrindinių autorių Ryanas Truby, buvęs CSAIL postdoc, kuris dabar yra Šiaurės Vakarų universiteto docentas; Annan Zhang, CSAIL magistrantė; ir vyresnioji autorė Daniela Rus, Andrew ir Erna Viterbi Elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslų profesoriai bei CSAIL direktorius. Straipsnis šiandien paskelbtas Mokslo pažanga.
Architektūros medžiaga
Tyrėjai sutelkė savo pastangas į groteles – „architektūros medžiagos“ tipą, kuri pasižymi pritaikytomis mechaninėmis savybėmis, pagrįstomis tik jos geometrija. Pavyzdžiui, pakeitus grotelių ląstelių dydį ar formą, medžiaga tampa daugiau ar mažiau lanksti.
Nors architektūrinės medžiagos gali pasižymėti unikaliomis savybėmis, jutiklių integravimas jose yra sudėtingas, atsižvelgiant į medžiagas. dažnai retos, sudėtingos formos. Paprastai jutiklių išdėstymas medžiagos išorėje yra paprastesnis būdas nei jutiklių įdėjimas į medžiagą. Tačiau kai jutikliai yra išorėje, jų teikiami atsiliepimai gali nepateikti išsamaus aprašymo, kaip medžiaga deformuojasi ar juda.
Vietoj to mokslininkai naudojo 3D spausdinimą, kad įtrauktų orą. -užpildyti kanalai tiesiai į statramsčius, kurie sudaro grotelę. Judinant ar suspaudžiant konstrukciją tie kanalai deformuojasi ir keičiasi viduje esančio oro tūris. Tyrėjai gali išmatuoti atitinkamą slėgio pokytį naudodami paruoštą slėgio jutiklį, kuris pateikia grįžtamąjį ryšį apie medžiagos deformaciją.
Kadangi jie yra įtraukti į medžiagą, šie ” skysčių jutikliai“ suteikia pranašumų, palyginti su įprastomis jutiklių medžiagomis.
„Jutiklio“ struktūros
Tyrėjai įtraukia kanalus į struktūrą naudodami skaitmeninį šviesos apdorojimo 3D spausdinimą. Taikant šį metodą, konstrukcija ištraukiama iš dervos telkinio ir sukietėja į tikslią formą naudojant projekcinę šviesą. Vaizdas projektuojamas ant šlapios dervos, o šviesos paveiktos vietos sukietėja.
Tačiau procesui tęsiantis, derva lieka įstrigusi jutiklių kanaluose. Tyrėjai turėjo pašalinti dervos perteklių, kol ji buvo sukietėjusi, naudodami suslėgto oro, vakuumo ir sudėtingo valymo mišinį.
Jie panaudojo šį procesą kurdami kelias grotelių struktūras ir pademonstravo, kaip oras -užpildyti kanalai sugeneravo aiškų grįžtamąjį ryšį, kai konstrukcijos buvo suspaudžiamos ir sulenktos.
„Svarbu, kad 3D spausdindami sensorizuotas struktūras naudojame tik vieną medžiagą. Mes apeiname kitų daugiamečių 3D spausdinimo ir gamybos metodų, kurie paprastai naudojami modeliuojant panašias medžiagas, apribojimus“, – sako Truby.
Remdamiesi šiais rezultatais, jie taip pat įtraukė jutiklius į naują klasę. medžiagos, sukurtos motorizuotiems minkštiems robotams, žinomiems kaip rankinio kirpimo auksetika arba HSA. HSA gali būti susukti ir ištempti vienu metu, todėl jas galima naudoti kaip efektyvias minkštas robotines pavaras. Tačiau juos sunku „jausti“ dėl sudėtingų formų.
Jie 3D atspausdino HSA minkštą robotą, galintį atlikti kelis judesius, įskaitant lenkimą, sukimąsi ir pailgėjimą. Jie leido robotui atlikti daugybę judesių daugiau nei 18 valandas ir naudojo jutiklio duomenis, kad išmokytų neuroninį tinklą, kuris galėtų tiksliai numatyti roboto judesį.
Rezultatai sužavėjo Chiną – skysčių jutikliai buvo tokie tikslūs, kad jai buvo sunku atskirti signalus, kuriuos mokslininkai siuntė į variklius, nuo duomenų, gautų iš jutiklių.
„Medžiagų mokslininkai sunkiai dirbo, kad optimizuotų architektūrines medžiagas, kad jos būtų funkcionalios. Atrodo, kad tai paprasta, bet tikrai galinga idėja, kaip susieti tai, ką tie tyrinėtojai darė su šia suvokimo sfera. Kai tik pridėsime jutimą, tokie robotai kaip aš gali ateiti ir naudoti tai kaip aktyvią, o ne tik pasyviąją medžiagą. Tokie jutikliai buvo atviras iššūkis šioje srityje. Šis naujas metodas suteikia tikslias proprioreceptines galimybes minkštiesiems robotams ir atveria duris tyrinėti pasaulį per prisilietimą“, – sako Rus.
Ateityje mokslininkai tikisi rasti naujų pritaikymų šiam tikslui. techniką, pvz., sukurti naujas žmogaus ir mašinos sąsajas arba minkštuosius įrenginius, turinčius jutimo galimybes vidinėje struktūroje. Chin taip pat domisi mašininio mokymosi naudojimu, kad padidintų robotikos lytėjimo jutimo ribas.
„Priedų gamybos naudojimas tiesiogiai kuriant robotus yra patrauklus. Tai leidžia atlikti tokį sudėtingumą, koks, mano nuomone, reikalingas paprastai prisitaikančioms sistemoms“, – sako Robertas Shepherdas, Kornelio universiteto Sibley mechanikos ir kosmoso inžinerijos mokyklos docentas, nedalyvavęs šiame darbe. „Naudojant tą patį 3D spausdinimo procesą formai, mechanizmui ir jutimo matricoms sukurti, jų procesas labai prisidės prie tyrėjo siekio paprasčiausiai sukurti sudėtingus robotus.“
Šis tyrimas buvo paremtas, iš dalies vykdo Nacionalinis mokslo fondas, Schmidt Science Fellows programa, bendradarbiaudama su Rhodes Trust, NSF absolventų stipendija ir Fannie ir John Hertz fondu.
)
