새로운 프로그래밍 가능한 재료는 자신의 움직임을 감지할 수 있습니다.
엔지니어는 3D 프린팅을 사용하여 매우 정확한 센서를 재료의 구조에 직접 통합합니다.
날짜:
2022년 8월 10일
원천:
매사추세츠 공과 대학
요약:
연구원들은 환경과 어떻게 움직이고 상호 작용하는지 감지할 수 있는 맞춤형 기계적 특성을 가진 재료를 3D 인쇄하는 기술을 개발했습니다. 그들의 방법은 하나의 인쇄 재료와 3D 프린터에서 한 번만 실행하면 됩니다.
MIT 연구원들은 어떻게 움직이고 환경과 상호 작용하는지 감지할 수 있는 조정 가능한 기계적 특성을 가진 3D 프린팅 재료 방법을 개발했습니다. 연구원들은 3D 프린터에서 단 하나의 재료와 단일 실행을 사용하여 이러한 감지 구조를 만듭니다.
이를 달성하기 위해 연구원들은 3D 인쇄 격자 재료로 시작하여 인쇄 과정에서 구조에 공기로 채워진 채널 네트워크를 통합했습니다. 구조가 압착되거나 구부러지거나 늘어날 때 이러한 채널 내에서 압력이 어떻게 변화하는지 측정함으로써 엔지니어는 재료가 어떻게 움직이는지에 대한 피드백을 받을 수 있습니다.
이러한 격자 물질은 반복되는 패턴의 단일 셀로 구성됩니다. 셀의 크기나 모양을 변경하면 강성 또는 경도와 같은 재료의 기계적 특성이 변경됩니다. 예를 들어, 더 조밀한 세포 네트워크는 더 단단한 구조를 만듭니다.
이 기술은 언젠가 로봇이 자세와 움직임을 이해할 수 있도록 센서가 내장된 유연한 소프트 로봇을 만드는 데 사용될 수 있습니다. 또한 운동화의 발이 지면에 미치는 영향에 대한 피드백을 제공하는 맞춤형 러닝화와 같은 웨어러블 스마트 장치를 생산하는 데 사용될 수도 있습니다.
"이 작업의 아이디어는 3D 인쇄할 수 있는 모든 재료를 사용할 수 있고 전체 채널을 라우팅하는 간단한 방법을 사용하여 구조와 함께 감각을 얻을 수 있다는 것입니다. 그리고 정말 복잡한 재료를 사용하면 모션을 가질 수 있습니다. , 지각 및 구조가 모두 하나로 통합되어 있습니다."라고 MIT 컴퓨터 과학 및 인공 지능 연구소(CSAIL)의 대학원생인 공저자인 Lillian Chin이 말했습니다.
이 논문에서 Chin과 함께 공동 주저자인 Ryan Truby는 전 CSAIL 박사후 연구원이며 현재는 노스웨스턴 대학교의 조교수입니다. CSAIL 대학원생인 Annan Zhang; 수석 저자 Daniela Rus, Andrew와 Erna Viterbi 전기 공학 및 컴퓨터 과학 교수이자 CSAIL 이사. 이 논문은 Science Advances 에 게재되었습니다 .
건축 재료
연구원들은 기하학에만 기반을 둔 맞춤형 기계적 특성을 나타내는 일종의 "건축 재료"인 격자에 노력을 집중했습니다. 예를 들어, 격자에서 셀의 크기나 모양을 변경하면 재료가 다소 유연해집니다.
건축 재료는 고유한 특성을 나타낼 수 있지만 센서를 통합하는 것은 매우 어려운 일입니다. 엔지니어는 일반적으로 외부에 센서를 배치해야 합니다. 이는 격자가 구멍으로 가득 차 있어 작업할 재료가 거의 없기 때문에 어렵습니다. 또한 센서를 외부에 배치할 경우 소재와 완전히 일체화되지 않아 부드러운 소재의 움직임으로 인한 노이즈의 영향을 받을 수 있습니다.
대신 Chin과 그녀의 공동 작업자는 3D 프린팅을 사용하여 공기가 채워진 채널을 격자를 형성하는 스트럿에 직접 통합했습니다. 구조가 움직이거나 압착되면 해당 채널이 변형되고 내부 공기의 양이 변경됩니다. 연구원들은 재료가 어떻게 변형되는지에 대한 피드백을 제공하는 기성품 압력 센서로 해당 압력 변화를 측정할 수 있습니다.
재료에 통합되기 때문에 이러한 "유체 센서"는 구조 외부에 배치된 센서보다 더 정확합니다.
"고무줄을 쭉 뻗으면 제자리로 돌아오는 데 시간이 조금 걸립니다. 하지만 공기를 사용하고 있고 변형이 비교적 안정적이기 때문에 동일한 시변 특성을 얻을 수 없습니다. 나오는 정보 센서가 훨씬 깨끗합니다."라고 Chin은 말합니다.
"감지" 구조
연구원들은 디지털 조명 처리 3D 인쇄를 사용하여 구조에 채널을 통합합니다. 이 방법에서 구조는 수지 풀에서 꺼내고 투사된 빛을 사용하여 정확한 모양으로 경화됩니다. 이미지가 젖은 레진에 투사되고 빛이 닿은 부분이 경화됩니다.
그러나 공정이 계속되면 끈적끈적한 수지는 물방울이 떨어져 채널 내부에 들러붙는 경향이 있습니다. 연구원들은 가압 공기, 진공 및 복잡한 청소를 혼합하여 경화되기 전에 과잉 수지를 제거하기 위해 신속하게 작업해야 했습니다.
"우리는 청소 프로세스가 주요 과제이기 때문에 설계 측면에서 더 많은 브레인스토밍을 수행하여 청소 프로세스에 대해 생각해야 합니다."라고 그녀는 말합니다.
그들은 이 프로세스를 사용하여 여러 격자 구조를 만들고 구조가 압착되고 구부러질 때 공기로 채워진 채널이 명확한 피드백을 생성하는 방법을 보여주었습니다.
이러한 결과를 바탕으로 그들은 또한 손 전단 보조제(HSA)로 알려진 전동 소프트 로봇용으로 개발된 새로운 종류의 재료에 센서를 통합했습니다. HSA는 동시에 비틀거나 늘릴 수 있으므로 효과적인 소프트 로봇 액추에이터로 사용할 수 있습니다. 그러나 복잡한 형태 때문에 "감지"하기가 어렵습니다.
그들은 구부리기, 비틀기 및 늘리기를 포함하여 여러 움직임이 가능한 HSA 소프트 로봇을 3D로 인쇄했습니다. 그들은 18시간 이상 일련의 움직임을 통해 로봇을 구동하고 센서 데이터를 사용하여 로봇의 움직임을 정확하게 예측할 수 있는 신경망을 훈련했습니다.
Chin은 결과에 깊은 인상을 받았습니다. 유체 센서가 너무 정확하여 연구원들이 모터에 보낸 신호와 센서에서 돌아온 데이터를 구별하는 데 어려움을 겪었습니다.
"재료 과학자들은 기능을 위해 건축 재료를 최적화하기 위해 열심히 노력해 왔습니다. 이것은 연구원들이 해온 일을 이 지각 영역과 연결하는 간단하면서도 정말 강력한 아이디어처럼 보입니다. 감지 기능을 추가하자마자 저와 같은 로봇 공학자들은 와서 이것을 수동적 재료가 아닌 활성 재료로 사용하십시오."라고 그녀는 말합니다.
"연속적인 피부와 같은 센서를 사용하여 소프트 로봇을 감지하는 것은 현장에서 열린 도전이었습니다. 이 새로운 방법은 소프트 로봇에 정확한 고유 수용성 기능을 제공하고 터치를 통해 세계를 탐험할 수 있는 문을 엽니다"라고 Rus는 말합니다.
앞으로 Chin은 내부 구조 내에서 감지 기능이 있는 특정 선수의 머리에 맞는 축구 헬멧을 만드는 것과 같이 이 기술에 대한 새로운 응용 프로그램을 찾기를 기대하고 있습니다. 이는 필드 충돌로 인한 피드백의 정확성을 높이고 플레이어의 안전을 향상시킬 수 있습니다. 그녀는 또한 로봇 공학을 위한 촉각 감지의 경계를 넓히기 위해 기계 학습을 활용하는 데 관심이 있습니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/