นักวิจัยของ MIT ได้พัฒนาวิธีการสำหรับวัสดุการพิมพ์ 3 มิติด้วยคุณสมบัติทางกลที่ปรับค่าได้ ซึ่งรับรู้ได้ว่าพวกเขาเคลื่อนไหวและมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมอย่างไร นักวิจัยสร้างโครงสร้างการตรวจวัดเหล่านี้โดยใช้วัสดุเพียงชิ้นเดียวและใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติเพียงครั้งเดียว
ในการบรรลุเป้าหมายนี้ นักวิจัยได้เริ่มด้วยวัสดุตาข่ายที่พิมพ์ 3 มิติ และรวมเครือข่ายของช่องเติมอากาศเข้าไว้ในโครงสร้างในระหว่างกระบวนการพิมพ์ โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันภายในช่องเหล่านี้เมื่อโครงสร้างถูกบีบ งอ หรือยืดออก วิศวกรสามารถรับข้อเสนอแนะเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัสดุได้
วิธีการนี้เปิดโอกาสในการฝังเซ็นเซอร์ไว้ในวัสดุที่ได้รับการออกแบบ ซึ่งเป็นกลุ่มของวัสดุที่มีคุณสมบัติเชิงกลได้รับการตั้งโปรแกรมผ่านรูปแบบและองค์ประกอบ การควบคุมลักษณะทางเรขาคณิตของคุณสมบัติในวัสดุทางสถาปัตยกรรมจะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกลของวัสดุ เช่น ความแข็งหรือความเหนียว ตัวอย่างเช่น ในโครงสร้างเซลล์ เช่น โครงตาข่ายที่นักวิจัยพิมพ์ เครือข่ายเซลล์ที่หนาแน่นขึ้นจะทำให้โครงสร้างแข็งขึ้น
สักวันหนึ่งเทคนิคนี้อาจใช้เพื่อสร้างหุ่นยนต์นุ่มที่ยืดหยุ่นได้พร้อมเซ็นเซอร์ฝังตัวที่ช่วยให้หุ่นยนต์เข้าใจท่าทางและการเคลื่อนไหวของพวกเขา นอกจากนี้ยังอาจใช้ในการผลิตอุปกรณ์สมาร์ทที่สวมใส่ได้ซึ่งให้ข้อเสนอแนะว่าบุคคลมีการเคลื่อนไหวหรือโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมอย่างไร
“แนวคิดของงานนี้ก็คือ เราสามารถนำวัสดุใดๆ ก็ตามที่สามารถพิมพ์ 3 มิติได้ และมีวิธีง่ายๆ ในการกำหนดเส้นทางของช่องต่างๆ ทั่วทั้งนั้น เพื่อให้เราสามารถรับการเซ็นเซอร์ด้วยโครงสร้างได้ และถ้าคุณใช้วัสดุที่ซับซ้อนจริงๆ คุณก็จะมีการเคลื่อนไหว การรับรู้ และโครงสร้างทั้งหมดในที่เดียว” ลิเลียน ชิน ผู้เขียนนำร่วม นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) กล่าว
เข้าร่วมกับ Chin บนกระดาษเป็นผู้เขียนนำร่วม Ryan Truby อดีต CSAIL postdoc ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ Northwestern University; อันนัน จาง นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ CSAIL; และผู้เขียนอาวุโส Daniela Rus, Andrew และ Erna Viterbi ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์และผู้อำนวยการ CSAIL บทความนี้เผยแพร่ในScience Advances
วัสดุทางสถาปัตยกรรม
นักวิจัยได้เน้นความพยายามของพวกเขาในโครงตาข่าย ซึ่งเป็น “วัสดุที่มีสถาปัตยกรรม” ซึ่งแสดงคุณสมบัติทางกลที่ปรับแต่งได้โดยใช้รูปทรงเรขาคณิตเพียงอย่างเดียว ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนขนาดหรือรูปร่างของเซลล์ในโครงตาข่ายทำให้วัสดุมีความยืดหยุ่นมากขึ้นหรือน้อยลง
แม้ว่าวัสดุที่ได้รับการออกแบบทางสถาปัตยกรรมสามารถแสดงคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ได้ แต่การผสานเซ็นเซอร์ภายในวัสดุนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายเนื่องจากวัสดุมักจะเบาบางและมีรูปร่างซับซ้อน การวางเซ็นเซอร์ไว้ที่ด้านนอกของวัสดุมักจะเป็นวิธีที่ง่ายกว่าการฝังเซ็นเซอร์ไว้ในวัสดุ อย่างไรก็ตาม เมื่อวางเซ็นเซอร์ไว้ด้านนอก ข้อมูลป้อนกลับที่ให้มาอาจไม่ได้ให้คำอธิบายที่ครบถ้วนว่าวัสดุมีการเปลี่ยนรูปหรือเคลื่อนที่อย่างไร
นักวิจัยใช้การพิมพ์ 3 มิติเพื่อรวมช่องเติมอากาศเข้ากับเสาที่สร้างโครงตาข่ายโดยตรง เมื่อโครงสร้างถูกเคลื่อนย้ายหรือบีบ ช่องเหล่านั้นจะเปลี่ยนรูปและปริมาตรของอากาศภายในจะเปลี่ยนไป นักวิจัยสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงความดันที่สอดคล้องกันด้วยเซ็นเซอร์ความดันแบบถอดได้ ซึ่งจะให้ข้อเสนอแนะเกี่ยวกับวิธีการเปลี่ยนรูปของวัสดุ
เนื่องจากรวมอยู่ในวัสดุ “เซนเซอร์ของเหลว” เหล่านี้จึงมีข้อได้เปรียบเหนือวัสดุเซนเซอร์ทั่วไป
โครงสร้าง “เซนเซอร์”
นักวิจัยได้รวมช่องสัญญาณต่างๆ ไว้ในโครงสร้างโดยใช้การพิมพ์ 3 มิติสำหรับการประมวลผลแสงดิจิทัล ในวิธีนี้ โครงสร้างจะถูกดึงออกมาจากแอ่งเรซินและชุบแข็งให้เป็นรูปร่างที่แม่นยำโดยใช้แสงที่ฉาย ภาพถูกฉายลงบนเรซินเปียกและบริเวณที่โดนแสงจะได้รับการรักษาให้หายขาด
แต่เมื่อกระบวนการดำเนินต่อไป เรซินจะยังคงติดอยู่ในช่องเซ็นเซอร์ นักวิจัยต้องเอาเรซินส่วนเกินออกก่อนที่จะบ่ม โดยใช้อากาศอัด สูญญากาศ และการทำความสะอาดที่ซับซ้อน
พวกเขาใช้กระบวนการนี้เพื่อสร้างโครงสร้างตาข่ายหลายแบบและแสดงให้เห็นว่าช่องอากาศที่เติมอากาศสร้างการตอบรับที่ชัดเจนเมื่อโครงสร้างถูกบีบและงอได้อย่างไร
“ที่สำคัญ เราใช้วัสดุเพียงชนิดเดียวในการพิมพ์ 3 มิติ โครงสร้างเซ็นเซอร์ของเรา เราก้าวข้ามข้อจำกัดของวิธีการพิมพ์และการผลิตแบบ 3 มิติแบบหลายวัสดุอื่นๆ ที่มักถูกพิจารณาสำหรับการทำลวดลายวัสดุที่คล้ายคลึงกัน” Truby กล่าว
จากผลลัพธ์เหล่านี้ พวกเขายังรวมเซ็นเซอร์ไว้ในวัสดุประเภทใหม่ที่พัฒนาขึ้นสำหรับหุ่นยนต์แบบนิ่มที่ใช้มอเตอร์ซึ่งเรียกว่า auxetics แบบใช้มือหรือ HSA HSA สามารถบิดและยืดออกได้พร้อมๆ กัน ซึ่งช่วยให้สามารถใช้เป็นแอคทูเอเตอร์ของหุ่นยนต์แบบอ่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่พวกมันยากที่จะ “รับรู้” เพราะรูปแบบที่ซับซ้อน
พวกเขาพิมพ์สามมิติของหุ่นยนต์นุ่ม HSA ที่สามารถเคลื่อนไหวได้หลายแบบ รวมถึงการดัด การบิด และการยืดตัว พวกเขาวิ่งหุ่นยนต์ผ่านชุดการเคลื่อนไหวเป็นเวลานานกว่า 18 ชั่วโมง และใช้ข้อมูลเซ็นเซอร์เพื่อฝึกโครงข่ายประสาทเทียมที่สามารถทำนายการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ได้อย่างแม่นยำ
Chin รู้สึกประทับใจกับผลลัพธ์ที่ได้ – เซ็นเซอร์แบบฟลูอิดดิกส์นั้นแม่นยำมาก เธอจึงแยกแยะได้ยากระหว่างสัญญาณที่นักวิจัยส่งไปยังมอเตอร์กับข้อมูลที่กลับมาจากเซ็นเซอร์
“นักวิทยาศาสตร์ด้าน Materials ได้ทำงานอย่างหนักเพื่อปรับวัสดุทางสถาปัตยกรรมให้เหมาะสมสำหรับการใช้งาน ดูเหมือนเป็นแนวคิดที่เรียบง่ายแต่ทรงพลังมากในการเชื่อมโยงสิ่งที่นักวิจัยทำกับขอบเขตการรับรู้นี้ ทันทีที่เราเพิ่มการตรวจจับ นักวิทยาการหุ่นยนต์อย่างฉันสามารถเข้ามาใช้สิ่งนี้เป็นสื่อที่เคลื่อนไหวได้ ไม่ใช่แค่สิ่งเฉยๆ” เธอกล่าว
“การเซนเซอร์หุ่นยนต์แบบนิ่มที่มีเซนเซอร์เหมือนผิวหนังอย่างต่อเนื่องเป็นความท้าทายแบบเปิดกว้างในภาคสนาม วิธีการใหม่นี้ให้ความสามารถในการรับรู้การเคลื่อนไหวที่แม่นยำสำหรับหุ่นยนต์แบบนิ่ม และเปิดประตูสู่การสำรวจโลกผ่านการสัมผัส” Rus กล่าว
ในอนาคต นักวิจัยตั้งตารอที่จะค้นหาแอปพลิเคชั่นใหม่ๆ สำหรับเทคนิคนี้ เช่น การสร้างอินเทอร์เฟซระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร หรืออุปกรณ์แบบอ่อนที่มีความสามารถในการรับรู้ภายในโครงสร้างภายใน ชินยังสนใจที่จะใช้แมชชีนเลิร์นนิงเพื่อขยายขอบเขตของการสัมผัสทางสัมผัสสำหรับหุ่นยนต์
“การใช้สารเติมแต่งสำหรับการสร้างหุ่นยนต์โดยตรงเป็นสิ่งที่น่าสนใจ มันทำให้เกิดความซับซ้อนที่ฉันเชื่อว่าจำเป็นสำหรับระบบที่ปรับเปลี่ยนได้โดยทั่วไป” Robert Shepherd รองศาสตราจารย์จาก Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering ที่ Cornell University กล่าว ผู้ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้ กล่าว “ด้วยการใช้กระบวนการพิมพ์ 3 มิติแบบเดียวกันเพื่อสร้างรูปแบบ กลไก และอาร์เรย์การตรวจจับ กระบวนการของพวกเขาจะมีส่วนช่วยอย่างมากต่อการตั้งเป้าของนักวิจัยในการสร้างหุ่นยนต์ที่ซับซ้อนอย่างง่ายๆ”
งานวิจัยนี้ส่วนหนึ่งได้รับการสนับสนุนโดย National Science Foundation, Schmidt Science Fellows Program ร่วมกับ Rhodes Trust, NSF Graduate Fellowship และ Fannie and John Hertz Foundation
