3D вязаные роботы

Jun 03, 2023

Мягкая робототехника имеет несколько ключевых преимуществ перед жесткими аналогами, в том числе присущие им функции безопасности (мягкие материалы, движения которых обеспечиваются за счет надувания и спуска воздушных камер, можно безопасно использовать в хрупких средах или в непосредственной близости от людей), а также их гибкость, которая позволяет им приспосабливаться в узкие места. Текстиль стал предпочтительным материалом для создания многих типов мягких роботов, особенно носимых, но традиционные методы производства «крой и шить» оставляют желать лучшего.

Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали новый подход к аддитивному производству мягкой робототехники, используя метод 3D-вязания, который может целостно «печатать» целых мягких роботов. Об их работе сообщается в Advanced Functional Materials.

«Сообщество мягкой робототехники все еще находится на этапе поиска альтернативных подходов к материалам, которые позволят нам выйти за рамки более классических форм и функций жестких роботов», — говорит Роберт Вуд, старший корреспондент статьи, который является Гарри Льюисом и Марлин МакГрат. Профессор инженерных и прикладных наук SEAS.

«Текстиль привлекателен, поскольку мы можем радикально настроить его структурные свойства, выбирая составляющие его волокна и то, как эти волокна взаимодействуют друг с другом», — говорит Вуд.

«Используя методы «выкройки и шитья», вам необходимо изготовить большие листы текстильного материала, которые затем разрезать на узоры, которые собираются путем сшивания или склеивания – и это обычно требует высокого уровня человеческого труда», – говорит Ванесса Санчес, первый автор. на бумаге и бывший доктор философии. студент лаборатории Вуда. «Каждый шов увеличивает затраты и увеличивает потенциальные точки отказа. Для производства сложных роботизированных устройств это может стать большой проблемой».

Санчес был заинтригован концепцией 3D-вязания, позволяющей производить бесшовные предметы одежды с минимальными отходами материала. Она задалась вопросом, можно ли адаптировать этот метод для создания мягких роботов на основе текстиля.

Команда приобрела старинную вязальную машину для перфокарт, и Санчес связался с экспертами по вязанию из Школы дизайна Род-Айленда, Школы дизайна Парсонса и Технологического института моды.

Чтобы автоматизировать процесс вязания, Санчесу и его команде также необходимо было разработать программное обеспечение, которое могло бы управлять вязальным оборудованием – машинами, которым часто несколько десятилетий, – для создания сложных структур из различных типов пряжи. «Однажды мне пришлось обмануть оборудование — с помощью программного обеспечения — заставить его думать, что мой компьютер — это дискета», — говорит Санчес. После того, как первоначальные эксперименты оказались многообещающими, команда перешла на более современную автоматизированную машину.

Джеймс Макканн, доцент Института робототехники Карнеги-Меллона, участвовал в разработке программного обеспечения. «Команда хотела разработать и охарактеризовать широкий спектр мягких приводов — они не просто строили один шаблон, они создавали целый набор параметрических шаблонов», — говорит Макканн. «Это трудно сделать с помощью традиционного программного обеспечения для проектирования вязания, которое обычно ориентировано на разработку отдельных результатов вручную, а не на легко настраиваемые параметрические семейства результатов».

Чтобы найти обходной путь, команда описала 3D-выкройки, используя формат файла «knitout» — описание вязания, написанное на языках программирования общего назначения, — а затем разработала код для перевода этих описаний вязания для запуска на нужной вязальной машине.

«Самое интересное в разработке параметрических узоров в общем формате вязания, таком как вязание, заключается в том, что другие группы, имеющие разные типы вязальных машин, могут использовать и строить на основе одних и тех же узоров без значительных усилий по переводу», — говорит Макканн.

После настройки процесса трехмерного вязания Санчес и его коллеги провели серию экспериментов, чтобы впервые создать обширную библиотеку знаний о том, как различные параметры вязания влияют на механические свойства полученного материала. Испытав 20 различных комбинаций пряжи, структуры и т. д., команда определила, как различная архитектура вязания влияет на сворачивание и раскладывание, структурную геометрию и свойства на растяжение.