结构就是传感器,三维打印材料能感知自身运动

发布时间:2022-08-12 信息来源: 摘自科技日报

美国研究人员开发了一种用于3D打印材料的方法,该材料具有可调节的机械性能,可感知自身如何移动以及如何与环境相互作用。研究人员仅使用一种材料并在3D打印机上运行一次即可创建这些传感结构。发表在《科学进展》上的这项技术,有朝一日可用于制造具有嵌入式传感器的柔性机器人,使机器人能够了解自己的姿势和动作。

麻省理工学院研究人员使用3D打印将充气通道直接整合到形成晶格的支柱中。当结构被移动或挤压时,通道会变形,内部的空气量也会发生变化。研究人员可使用现成的压力传感器测量相应的压力变化,从而提供有关材料如何变形的反馈。因为它们被整合到材料中,这些“流体传感器”比放置在结构外部的传感器更准确。

研究人员使用数字光处理3D打印将通道整合到结构中。在这种方法中,将图像被投射到湿树脂上,被光照射的区域逐渐固化成精确的形状,最后将图像结构从树脂池中拉出。但随着过程的继续,粘性树脂往往会滴落并卡在通道内。研究人员必须在树脂固化之前使用压缩空气、真空和复杂清洁的混合方法迅速去除多余的树脂。

他们通过这个过程创建了几个晶格结构,并展示了当结构被挤压和弯曲时,充气通道如何产生清晰的反馈。在这些结果的基础上,他们还将传感器整合到为机动柔性机器人开发的一种新型材料手动剪切拉胀剂(HAS)中。HSA可同时扭曲和拉伸,能够用作有效的柔性机器人执行器。

研究人员3D打印了一个HAS柔性机器人,该机器人能够进行多种运动,包括弯曲、扭曲和拉长。他们让机器人完成一系列动作超过18小时,并使用传感器数据训练可准确预测机器人动作的神经网络。

研究人员称,用连续的类皮肤传感器来感知柔性机器人,一直是该领域的巨大挑战。这种新方法为柔性机器人提供了准确的本体感受能力,并为通过触摸探索世界打开了大门。

总编辑圈点:

这项研究的想法是,工程师可采用任何可3D打印的材料,通过一种简单的方法,获得所谓的“结构感测”——只要调节材料,人们可以同时将运动、感知和结构合而为一。这也意味着,除了机器人领域,该成果还可以改进极限运动的黑科技装备,譬如具有内部结构感应功能的运动头盔,其可提高碰撞反馈的准确性,从而提高佩戴者的安全性;或者跑步中的可穿戴智能跑鞋,精准提供有关运动员的脚与地面撞击的反馈。