新的可编程材料可以感知自己的运动

麻省理工学院的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，可以感知它们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。

为了实现这一目标，研究人员从3D打印晶格材料开始，并在打印过程中将充气通道网络整合到结构中。通过测量结构被挤压、弯曲或拉伸时这些通道内的压力如何变化，工程师可以收到有关材料如何移动的反馈。

这些晶格材料由重复图案的单个单元组成。改变细胞的大小或形状会改变材料的机械性能，例如刚度或硬度。例如，更密集的细胞网络会形成更硬的结构。

这项技术有朝一日可用于制造具有嵌入式传感器的灵活软机器人，使机器人能够了解其姿势和动作。它还可用于生产可穿戴智能设备，例如定制跑鞋，提供有关运动员的脚如何撞击地面的反馈。

“这项工作的想法是，我们可以采用任何可以3D打印的材料，并通过一种简单的方法在整个材料中设置通道，这样我们就可以通过结构进行传感。如果你使用非常复杂的材料，那么你就可以进行运动、感知和结构合二为一，”共同主要作者、麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究生LillianChin说。

与Chin一起参与论文的还有共同主要作者RyanTruby，他是前CSAIL博士后，现在是西北大学的助理教授;CSAIL研究生张安南;和资深作者DanielaRus，电气工程和计算机科学的Andrew和ErnaViterbi教授，CSAIL主任。该论文发表在《科学进展》上。

建筑材料

研究人员将他们的精力集中在晶格上，这是一种“建筑材料”，它仅根据其几何形状表现出可定制的机械性能。例如，改变晶格中单元的大小或形状会使材料或多或少具有柔韧性。

虽然建筑材料可以表现出独特的特性，但集成传感器是出了名的具有挑战性。工程师通常必须将传感器放在外面，这很困难，因为格子上到处都是孔，所以几乎没有材料可以使用。此外，当传感器放置在外部时，它们并未与材料完全集成，并且可能会受到来自软材料运动的噪声的影响。

相反，Chin和她的合作者使用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，这些通道会变形，内部的空气量也会发生变化。研究人员可以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。

因为它们被结合到材料中，这些“流体传感器”比放置在结构外部的传感器更准确。

“如果你拉出一根橡皮筋，它需要一点时间才能回到原位。但由于我们使用的是空气并且变形相对稳定，我们不会得到这些相同的时变特性。出来的信息我们的传感器更清洁，”Chin说。

“感应”结构

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，结构从树脂池中拉出，并使用投影光硬化成精确的形状。图像被投射到湿树脂上，被光照射的区域被固化。

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迅速去除多余的树脂，使用压缩空气、真空和复杂清洁的混合方法。

“我们将不得不从设计方面进行更多的头脑风暴，以考虑清洁过程，因为这是主要挑战，”她说。

他们使用这个过程创建了几个格子结构，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软机器人开发的一种新型材料中，称为手动剪切拉胀剂或HSA。HSA可以同时扭曲和拉伸，这使它们能够用作有效的软机器人执行器。但由于它们的复杂形式，它们很难“感知”。

他们3D打印了一个HSA软机器人，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以准确预测机器人动作的神经网络。

Chin对结果印象深刻——流体传感器非常准确，以至于她很难区分研究人员发送给电机的信号和传感器返回的数据。

“材料科学家一直在努力优化建筑材料的功能。这似乎是一个简单但非常强大的想法，可以将这些研究人员一直在做的事情与这种感知领域联系起来。一旦我们添加了传感，像我这样的机器人专家就可以进来并将其用作活性材料，而不仅仅是被动材料，”她说。

“用连续的皮肤状传感器对软机器人进行传感一直是该领域的一项公开挑战。这种新方法为软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”，Rus说。

未来，Chin期待为这项技术找到新的应用，例如为特定球员的头部量身定制具有内部结构感应功能的足球头盔。这可以提高现场碰撞反馈的准确性并提高球员的安全性。她还对利用机器学习来突破机器人触觉感知的界限感兴趣。

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