據麥姆斯咨詢介紹，麻省理工學院（MIT）的研究人員開發了一種具有可調機械性能的3D打印方法，使材料可以感知自身如何移動以及如何與環境相互作用。研究人員僅使用一種材料，并在3D打印機上一次運行即可構建這種具有傳感能力的結構。
為了實現這一目標，研究人員從3D打印晶格材料著手，并在打印過程中將充氣通道網絡整合到結構中。當結構被擠壓、彎曲或拉伸時，通過測量這些通道內的壓力變化，便可以收集有關材料如何運動的反饋。
該方法為在結構化材料（Architected Materials）中嵌入傳感器提供了可能。這類結構化材料的機械性能可以通過形狀和組成進行編程。控制結構化材料中特征的幾何結構可以改變其剛度或韌性等機械性能。例如，在研究人員打印的晶胞結構中，密度更高的晶胞網絡可使結構變得更硬。
這項技術未來有望用于制造具有嵌入式傳感器的軟體機器人，使機器人能夠感知自己的姿態和動作。它還可以用于生產可穿戴智能設備，提供關于用戶如何運動或與其環境交互的反饋。
“我們的想法是可以采用任何可以3D打印的材料，并通過一種簡單的方法在其中布置通道，這樣我們就可以通過結構實現感知。如果采用更復雜的材料，就可以將運動、感知和結構融為一體。”該論文共同第一作者、麻省理工學院計算機科學和人工智能實驗室（CSAIL）的研究生Lillian Chin說。
該論文共同第一作者還有Ryan Truby，他是前CSAIL博士后，現在已是美國西北大學的助理教授；以及通訊作者Daniela Rus，他是CSAIL主任和MIT電氣工程和計算機科學Andrew and Erna Viterbi教授。這項研究成果已發表于近期的Science Advances期刊。
結構化材料
研究人員重點研究了晶格，一類結構化材料，該材料僅憑借幾何結構就可以展示出可定制的機械性能。例如，改變晶格中晶胞的大小或形狀就可以使材料具有一定的柔性。
雖然結構化材料可以表現出獨特的特性，但鑒于其稀疏、復雜的形狀，在其中集成傳感器具有挑戰性。在材料外部安置傳感器，通常比將傳感器嵌入材料內更簡單。然而，當傳感器安置在外部時，它們可能無法完整反饋材料的形變或移動。
研究人員利用3D打印技術將充滿空氣的通道直接整合到形成晶格的支柱中。當結構移動或受到擠壓時，這些通道會發生形變，內部的空氣量也會發生變化。研究人員可以使用現成的壓力傳感器測量相應的壓力變化，從而提供材料形變的反饋。
由于這些“流體傳感器”被直接整合到材料中，因此，相比傳統傳感器材料更具優勢。
傳感結構
研究人員利用數字光處理3D打印將傳感通道整合到結構中。具體來說，其結構從樹脂池中拉出，然后利用投影光固化成精確的形狀。圖像可以被投影到未固化的樹脂上，光照射的區域完成固化。
他們利用這種方法構建了幾個晶格結構，并演示了當結構受到擠壓和彎曲時，充氣通道如何產生清晰的反饋。
在這些結果的基礎上，研究人員還將這種傳感器整合到了為軟體機器人機械手開發的一類新材料結構中（手性剪切拉脹結構，HAS）。（注：拉脹材料也稱為負泊松比材料，是泊松比為負值的結構或材料。一般材料在拉伸時，垂直于拉伸方向的部分會收縮。但拉脹材料在拉伸時，垂直拉伸方向的部分會膨脹，這是因為其特殊內部構造，以及在單軸施力下的形變方式有關。）HSA可以同時扭曲和拉伸，這使得它們能夠有效的用作軟體機器人執行器。但由于它們的形狀復雜，因而很難使它們自身具有傳感能力，亦即“傳感化”。
手性剪切拉脹結構（HAS）
研究人員通過3D打印制作了一個HSA軟體機器人，能夠進行彎曲、扭轉和拉伸等多種運動。他們讓機器人進行了超過18個小時的一系列運動，以利用傳感器數據進行神經網絡訓練，從而能夠準確預測機器人的運動。
實驗結果令人欣喜，這種流體傳感器的預測非常精確，以至于很難區分發送到電機的信號和傳感器返回的數據。
“材料科學家一直在努力優化結構化材料的功能。我們的研究可以說是一種簡單但非常強大的創新，可以將材料科學家所做的工作與感知功能關聯起來。一旦可以為材料添加傳感功能，像我這樣的機器人專家就有福了，我們可以將其作為一種主動材料，而不僅僅是被動材料。”她說。
“用連續的皮膚傳感器使軟體機器人具有感知能力，一直是該領域的一個公開挑戰。我們開發的這種新方案，為軟體機器人提供了準確的本體感知能力，并為它們通過觸摸探索世界打開了大門。”Rus表示。
未來，研究人員期待為這項技術尋找新的應用，例如構建新穎的人機界面，或是內部結構中具有傳感能力的其它軟體設備。Chin還對利用機器學習來擴展機器人的觸覺能力很感興趣。
康奈爾大學西布利機械與航空航天工程學院副教授Robert Shepherd盡管沒有參與這項研究工作，但他表示：“利用增材制造直接制造機器人很有吸引力，它可以實現通常自適應系統所要求的復雜性。MIT的研究成果通過使用相同的3D打印過程來構建形狀、機構和傳感陣列，將大大有助于研究人員更簡便地構建復雜機器人。”
延伸閱讀：
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2021版》
《3D打印和增材制造技術及市場-2022版》
