Исследователи Массачусетского технологического института разработали метод 3D-печати материалов с настраиваемыми механическими свойствами, которые могут определять, как они движутся и взаимодействуют с окружающей средой. Исследователи создают эти сенсорные структуры, используя всего один материал и один раз на 3D-принтере.
Чтобы достичь этого, исследователи начали с 3D-печати решетчатых материалов и включили в структуру сети заполненных воздухом каналов в процессе печати . Измеряя изменение давления в этих каналах при сжатии, изгибе или растяжении конструкции, инженеры могут получать обратную связь о движении материала.
Эти решетчатые материалы состоят из одиночных ячеек в повторяющемся узоре. Изменение размера или формы ячеек изменяет механические свойства материала, такие как жесткость или твердость. Например, более плотная сеть клеток делает структуру более жесткой.
Этот метод когда-нибудь может быть использован для создания гибких мягких роботов со встроенными датчиками, которые позволяют роботам понимать свою позу и движения. Его также можно использовать для производства носимых интеллектуальных устройств, таких как индивидуальные кроссовки, которые обеспечивают обратную связь о том, как нога спортсмена воздействует на землю.
«Идея этой работы заключается в том, что мы можем взять любой материал, который можно распечатать на 3D-принтере, и иметь простой способ проложить каналы внутри, чтобы получить сенсоризацию со структурой. А если вы используете действительно сложные материалы, вы можете получить движение. , восприятие и структура — все в одном», — говорит соавтор Лилиан Чин, аспирант Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL).
Статья опубликована в Science Advances .
Архитектурные материалы
Исследователи сосредоточили свои усилия на решетках, типе «архитектурного материала», который демонстрирует настраиваемые механические свойства, основанные исключительно на его геометрии. Например, изменение размера или формы ячеек в решетке делает материал более или менее гибким.
В то время как архитектурные материалы могут демонстрировать уникальные свойства, интеграция датчиков, как известно, является сложной задачей. Инженеры обычно должны размещать датчики снаружи, что сложно, потому что решетка полна отверстий, поэтому материала для работы мало. Кроме того, когда датчики размещаются снаружи, они не полностью интегрируются с материалом, и на них может влиять шум, исходящий от движений мягкого материала.
Вместо этого Чин и ее сотрудники использовали 3D-печать для включения заполненных воздухом каналов непосредственно в распорки, образующие решетку. При перемещении или сдавливании конструкции эти каналы деформируются, а объем воздуха внутри изменяется. Исследователи могут измерить соответствующее изменение давления с помощью стандартного датчика давления, который дает обратную связь о том, как деформируется материал.
Поскольку они встроены в материал, эти «жидкостные датчики» более точны, чем датчики, размещенные снаружи конструкции.
«Если вы растянете резиновую ленту, потребуется некоторое время, чтобы вернуться на место. Но поскольку мы используем воздух, а деформации относительно стабильны, мы не получаем таких же изменяющихся во времени свойств. нашего сенсора намного чище», — говорит Чин.
«Сенсорные» структуры
Исследователи включают каналы в структуру, используя 3D-печать с цифровой обработкой света. В этом методе структура вытягивается из лужи смолы и затвердевает до точной формы с помощью проецируемого света. Изображение проецируется на влажную смолу, и области, пораженные светом, отвердевают.
Но по мере продолжения процесса липкая смола имеет тенденцию капать и застревать внутри каналов. Исследователям пришлось работать быстро, чтобы удалить излишки смолы до того, как она затвердеет, используя смесь сжатого воздуха, вакуума и сложной очистки.
Ученые использовали этот процесс для создания нескольких решетчатых структур и продемонстрировали, как заполненные воздухом каналы создают четкую обратную связь, когда структуры сжимаются и изгибаются.
Дополнительная информация: Жидкостная иннервация сенсоризирует структуры из единого строительного материала, Science Advances (2022). science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4385
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com