10 aug. 2022 (Nanowerk Nieuws) MIT-onderzoekers hebben een methode ontwikkeld voor het 3D-printen van materialen met instelbare mechanische eigenschappen, die aanvoelen hoe ze bewegen en hoe ze in wisselwerking staan met de omgeving. De onderzoekers creëren deze sensorstructuren met slechts één materiaal en een enkele run op een 3D-printer. Om dit te bereiken, begonnen de onderzoekers met 3D-geprinte roostermaterialen en integreerden tijdens het printproces netwerken van met lucht gevulde kanalen in de structuur. Door te meten hoe de druk verandert in deze kanalen wanneer de structuur wordt samengedrukt, gebogen of uitgerekt, kunnen ingenieurs feedback krijgen over hoe het materiaal beweegt. De methode opent mogelijkheden voor het inbedden van sensoren in architectonische materialen, een klasse van materialen waarvan de mechanische eigenschappen zijn geprogrammeerd door vorm en samenstelling. Het regelen van de geometrie van kenmerken in architectonische materialen verandert hun mechanische eigenschappen, zoals stijfheid of taaiheid. In celstructuren zoals de roosters die de onderzoekers printen, maakt een dichter netwerk van cellen bijvoorbeeld een stijvere structuur. Deze techniek zou ooit kunnen worden gebruikt om flexibele zachte robots te maken met ingebouwde sensoren die de robots in staat stellen hun houding en bewegingen te begrijpen. Het kan ook worden gebruikt om draagbare slimme apparaten te produceren die feedback geven over hoe een persoon beweegt of interactie heeft met zijn omgeving. "Het idee met dit werk is dat we elk materiaal kunnen nemen dat 3D-geprint kan worden en een eenvoudige manier hebben om kanalen er doorheen te leiden, zodat we sensorisatie met structuur kunnen krijgen. En als je echt complexe materialen gebruikt, kun je beweging, waarneming en structuur in één hebben", zegt co-lead auteur Lillian Chin, een afgestudeerde student aan het MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). Deze afbeelding toont 3D-geprinte kristallijne roosterstructuren met met lucht gevulde kanalen, bekend als "fluïdische sensoren", ingebed in de structuren (de inkepingen in het midden van roosters zijn de uitlaatgaten van de sensoren). Met deze luchtkanalen kunnen de onderzoekers meten hoeveel kracht de roosters ervaren wanneer ze worden samengedrukt of afgeplat. (Afbeelding: met dank aan de onderzoekers) Deelnemen aan Chin op het papier is mede-hoofdauteur Ryan Truby, een voormalige CSAIL-postdoc die nu assistent-professor is aan de Northwestern University; Annan Zhang, een afgestudeerde CSAIL-student; en senior auteur Daniela Rus, de Andrew en Erna Viterbi hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen en directeur van CSAIL. De krant is gepubliceerd in Wetenschap Advances ("Vloeibare innervatie sensoriseert structuren uit één enkel bouwmateriaal").
Deze afbeelding toont een zachte robotvinger gemaakt van twee cilinders bestaande uit een nieuwe klasse materialen die bekend staat als handed shearing auxetics (HSA's), die buigen en roteren. Met lucht gevulde kanalen ingebed in de HSA-structuur verbinden met druksensoren (stapel chips op de voorgrond), die actief de drukverandering van deze "fluïdische sensoren" meten. (Afbeelding: met dank aan de onderzoekers) “Belangrijk is dat we maar één materiaal gebruiken om onze sensorische structuren in 3D te printen. We omzeilen de beperkingen van andere multimateriaal 3D-print- en fabricagemethoden die doorgaans worden overwogen voor het patroon van vergelijkbare materialen”, zegt Truby. Voortbouwend op deze resultaten hebben ze ook sensoren opgenomen in een nieuwe klasse van materialen die zijn ontwikkeld voor gemotoriseerde zachte robots, bekend als handed shearing auxetics of HSA's. HSA's kunnen tegelijkertijd worden gedraaid en uitgerekt, waardoor ze kunnen worden gebruikt als effectieve zachte robotactuatoren. Maar ze zijn moeilijk te 'sensoriseren' vanwege hun complexe vormen. Ze 3D-printen een zachte HSA-robot die in staat is tot verschillende bewegingen, waaronder buigen, draaien en verlengen. Ze lieten de robot meer dan 18 uur lang een reeks bewegingen maken en gebruikten de sensorgegevens om een neuraal netwerk te trainen dat de beweging van de robot nauwkeurig kon voorspellen. Chin was onder de indruk van de resultaten - de vloeistofsensoren waren zo nauwkeurig dat ze moeite had om onderscheid te maken tussen de signalen die de onderzoekers naar de motoren stuurden en de gegevens die van de sensoren terugkwamen. “Materiaalwetenschappers hebben hard gewerkt om architectonische materialen te optimaliseren voor functionaliteit. Dit lijkt een eenvoudig, maar echt krachtig idee om te verbinden wat die onderzoekers hebben gedaan met dit rijk van perceptie. Zodra we sensing toevoegen, kunnen robotici zoals ik binnenkomen en dit als een actief materiaal gebruiken, niet alleen als een passief materiaal', zegt ze. "Het detecteren van zachte robots met continue huidachtige sensoren was een open uitdaging in het veld. Deze nieuwe methode biedt nauwkeurige proprioceptieve mogelijkheden voor zachte robots en opent de deur voor het verkennen van de wereld door middel van aanraking”, zegt Rus. In de toekomst kijken de onderzoekers uit naar het vinden van nieuwe toepassingen voor deze techniek, zoals het creëren van nieuwe mens-machine-interfaces of zachte apparaten met detectiemogelijkheden binnen de interne structuur. Chin is ook geïnteresseerd in het gebruik van machine learning om de grenzen van tactiele detectie voor robotica te verleggen. “Het gebruik van additive manufacturing voor het direct bouwen van robots is aantrekkelijk. Het zorgt voor de complexiteit die volgens mij nodig is voor over het algemeen adaptieve systemen”, zegt Robert Shepherd, universitair hoofddocent aan de Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering aan de Cornell University, die niet bij dit werk betrokken was. "Door hetzelfde 3D-printproces te gebruiken om de vorm, het mechanisme en de sensorarrays te bouwen, zal hun proces aanzienlijk bijdragen aan het streven van onderzoekers om eenvoudig complexe robots te bouwen."
Gebouwde materialen
De onderzoekers richtten hun inspanningen op roosters, een soort 'gearchiveerd materiaal' dat aanpasbare mechanische eigenschappen vertoont die uitsluitend zijn gebaseerd op de geometrie ervan. Door bijvoorbeeld de grootte of vorm van cellen in het rooster te veranderen, wordt het materiaal min of meer flexibel. Hoewel architectonische materialen unieke eigenschappen kunnen vertonen, is het een uitdaging om sensoren erin te integreren, gezien de vaak schaarse, complexe vormen van de materialen. Het plaatsen van sensoren aan de buitenkant van het materiaal is doorgaans een eenvoudigere strategie dan het inbedden van sensoren in het materiaal. Wanneer sensoren echter aan de buitenkant worden geplaatst, geeft de feedback die ze geven mogelijk geen volledige beschrijving van hoe het materiaal vervormt of beweegt. In plaats daarvan gebruikten de onderzoekers 3D-printen om met lucht gevulde kanalen rechtstreeks op te nemen in de stutten die het rooster vormen. Wanneer de structuur wordt verplaatst of samengedrukt, vervormen die kanalen en verandert het luchtvolume binnenin. De onderzoekers kunnen de bijbehorende drukverandering meten met een kant-en-klare druksensor, die feedback geeft over hoe het materiaal vervormt. Omdat ze in het materiaal zijn verwerkt, bieden deze "fluïdische sensoren" voordelen ten opzichte van conventionele sensormaterialen."Sensoriserende" structuren
De onderzoekers nemen kanalen in de structuur op met behulp van 3D-printen met digitale lichtverwerking. Bij deze methode wordt de structuur uit een plas hars getrokken en met geprojecteerd licht tot een precieze vorm uitgehard. Er wordt een beeld geprojecteerd op de natte hars en gebieden die door het licht worden getroffen, worden uitgehard. Maar naarmate het proces vordert, blijft de hars vastzitten in de sensorkanalen. De onderzoekers moesten overtollig hars verwijderen voordat het was uitgehard, met behulp van een mix van perslucht, vacuüm en ingewikkelde reiniging. Ze gebruikten dit proces om verschillende roosterstructuren te creëren en demonstreerden hoe de met lucht gevulde kanalen duidelijke feedback genereerden wanneer de structuren werden samengedrukt en gebogen.
Deze afbeelding toont een zachte robotvinger gemaakt van twee cilinders bestaande uit een nieuwe klasse materialen die bekend staat als handed shearing auxetics (HSA's), die buigen en roteren. Met lucht gevulde kanalen ingebed in de HSA-structuur verbinden met druksensoren (stapel chips op de voorgrond), die actief de drukverandering van deze "fluïdische sensoren" meten. (Afbeelding: met dank aan de onderzoekers) “Belangrijk is dat we maar één materiaal gebruiken om onze sensorische structuren in 3D te printen. We omzeilen de beperkingen van andere multimateriaal 3D-print- en fabricagemethoden die doorgaans worden overwogen voor het patroon van vergelijkbare materialen”, zegt Truby. Voortbouwend op deze resultaten hebben ze ook sensoren opgenomen in een nieuwe klasse van materialen die zijn ontwikkeld voor gemotoriseerde zachte robots, bekend als handed shearing auxetics of HSA's. HSA's kunnen tegelijkertijd worden gedraaid en uitgerekt, waardoor ze kunnen worden gebruikt als effectieve zachte robotactuatoren. Maar ze zijn moeilijk te 'sensoriseren' vanwege hun complexe vormen. Ze 3D-printen een zachte HSA-robot die in staat is tot verschillende bewegingen, waaronder buigen, draaien en verlengen. Ze lieten de robot meer dan 18 uur lang een reeks bewegingen maken en gebruikten de sensorgegevens om een neuraal netwerk te trainen dat de beweging van de robot nauwkeurig kon voorspellen. Chin was onder de indruk van de resultaten - de vloeistofsensoren waren zo nauwkeurig dat ze moeite had om onderscheid te maken tussen de signalen die de onderzoekers naar de motoren stuurden en de gegevens die van de sensoren terugkwamen. “Materiaalwetenschappers hebben hard gewerkt om architectonische materialen te optimaliseren voor functionaliteit. Dit lijkt een eenvoudig, maar echt krachtig idee om te verbinden wat die onderzoekers hebben gedaan met dit rijk van perceptie. Zodra we sensing toevoegen, kunnen robotici zoals ik binnenkomen en dit als een actief materiaal gebruiken, niet alleen als een passief materiaal', zegt ze. "Het detecteren van zachte robots met continue huidachtige sensoren was een open uitdaging in het veld. Deze nieuwe methode biedt nauwkeurige proprioceptieve mogelijkheden voor zachte robots en opent de deur voor het verkennen van de wereld door middel van aanraking”, zegt Rus. In de toekomst kijken de onderzoekers uit naar het vinden van nieuwe toepassingen voor deze techniek, zoals het creëren van nieuwe mens-machine-interfaces of zachte apparaten met detectiemogelijkheden binnen de interne structuur. Chin is ook geïnteresseerd in het gebruik van machine learning om de grenzen van tactiele detectie voor robotica te verleggen. “Het gebruik van additive manufacturing voor het direct bouwen van robots is aantrekkelijk. Het zorgt voor de complexiteit die volgens mij nodig is voor over het algemeen adaptieve systemen”, zegt Robert Shepherd, universitair hoofddocent aan de Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering aan de Cornell University, die niet bij dit werk betrokken was. "Door hetzelfde 3D-printproces te gebruiken om de vorm, het mechanisme en de sensorarrays te bouwen, zal hun proces aanzienlijk bijdragen aan het streven van onderzoekers om eenvoudig complexe robots te bouwen."
