Robots tejidos en 3D

Jun 03, 2023

La robótica suave tiene varias ventajas clave sobre sus contrapartes rígidas, incluidas sus características de seguridad inherentes: los materiales blandos con movimientos impulsados ​​por cámaras de aire que se inflan y desinflan se pueden usar de manera segura en entornos frágiles o cerca de humanos, así como su flexibilidad que les permite adaptarse. en espacios reducidos. Los textiles se han convertido en un material de elección para la construcción de muchos tipos de robots blandos, especialmente los portátiles, pero los métodos tradicionales de fabricación de "cortar y coser" han dejado mucho que desear.

Ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han establecido un nuevo enfoque para la fabricación aditiva de robótica blanda, utilizando un método de tejido 3D que puede "imprimir" holísticamente robots blandos completos. Su trabajo se informa en Materiales funcionales avanzados.

"La comunidad de robótica blanda todavía está en la fase de buscar enfoques de materiales alternativos que nos permitan ir más allá de las formas y funciones de robots rígidos más clásicos", dice Robert Wood, autor correspondiente principal del artículo, que es el Harry Lewis y Marlyn McGrath. Profesor de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en SEAS.

"Los textiles son atractivos ya que podemos ajustar radicalmente sus propiedades estructurales eligiendo las fibras que los componen y cómo esas fibras interactúan entre sí", dice Wood.

"Usando métodos de 'cortar y coser', necesita fabricar grandes láminas de material textil que luego corta en patrones que se ensamblan cosiendo o uniendo, y esto generalmente implica un alto nivel de trabajo humano", dice Vanessa Sanchez, primera autora. en el papel y un ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Wood. "Cada costura agrega costos y posibles puntos de falla. Para la fabricación de dispositivos robóticos complejos, esto puede ser un gran desafío".

Sánchez estaba intrigado por el concepto de tejido 3D, que puede producir prendas de vestir sin costuras con poco desperdicio de material. Se preguntó si el método podría adaptarse para crear robots blandos basados ​​en textiles.

El equipo adquirió una máquina de tejer antigua con tarjetas perforadas y Sánchez se conectó con expertos en tejido de la Escuela de Diseño de Rhode Island y la Escuela de Diseño Parsons y el Instituto de Tecnología de la Moda.

Para automatizar el proceso de tejido, Sánchez y el equipo también necesitaban desarrollar un software que pudiera dirigir el equipo de tejido (máquinas que a menudo tenían varias décadas) para hacer estructuras complejas a partir de varios tipos de hilos. "En un caso, tuve que engañar a la maquinaria, usando un programa de software, para que pensara que mi computadora era un disquete", dice Sánchez. Después de que los experimentos iniciales fueran prometedores, el equipo se trasladó a una máquina automatizada más moderna.

James McCann, profesor asistente en el Instituto de Robótica Carnegie Mellon, colaboró ​​en el software. "El equipo quería desarrollar y caracterizar una amplia gama de actuadores suaves; no solo estaban construyendo un patrón, estaban construyendo un conjunto completo de patrones paramétricos", dice McCann. "Esto es difícil de hacer con el software de diseño de tejido tradicional, que generalmente se enfoca en desarrollar salidas únicas a mano en lugar de familias de salidas paramétricas fácilmente ajustables".

Para crear una solución alternativa, el equipo describió los patrones 3D utilizando un formato de archivo de "tejido" (una descripción de tejido escrita en lenguajes de programación de propósito general) y luego desarrolló un código para traducir esas descripciones de tejido para que se ejecutaran en la máquina de tejer deseada.

"Lo bueno de desarrollar patrones paramétricos en un formato de tejido genérico como knitout es que otros grupos con diferentes tipos de máquinas de tejer pueden usar y construir sobre los mismos patrones, sin un gran esfuerzo de traducción", dice McCann.

Después de configurar su proceso de tejido 3D, Sánchez y sus colaboradores realizaron una serie de experimentos para, por primera vez, crear una extensa biblioteca de conocimientos sobre la forma en que varios parámetros de tejido afectan las propiedades mecánicas del material resultante. Probando 20 combinaciones diferentes de hilo, estructura y más, el equipo caracterizó cómo las diversas arquitecturas de tejido impactan el plegado y desplegado, la geometría estructural y las propiedades de tracción.

Usando combinaciones de estas estructuras, demostraron muchos prototipos de robots de punto diferentes, incluidos varios tipos de dispositivos de agarre con apéndices de flexión y agarre, una garra de múltiples cámaras, un robot con forma de gusano y un actuador con forma de serpiente capaz de recoger objetos mucho más. más pesado que el propio dispositivo.

"Queríamos crear una biblioteca para que los ingenieros se basaran en desarrollar una variedad de robots blandos, por lo que caracterizamos las propiedades mecánicas de muchos tejidos diferentes", dice Sánchez. "El tejido 3D es una nueva forma de pensar sobre la fabricación aditiva, sobre cómo hacer cosas que podrían reconfigurarse o reubicarse. Ya existen máquinas industriales para respaldar este tipo de fabricación; con este paso inicial, creemos que nuestro enfoque puede escalar y traducirse". fuera del laboratorio".

“Imagino que los textiles programables tendrán un impacto similar en la forma en que se fabrican los robots blandos como el que han tenido los compuestos reforzados con fibra en la construcción de aviones y automóviles de alto rendimiento”, dice Wood.

Otros autores del artículo incluyen a Kausalya Mahadevan, Gabrielle Ohlson, Moritz A. Graule, Michelle C. Yuen, Clark B. Teeple, James C. Weaver y Katia Bertoldi.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (concesión n.º EFMA-1830901, DMR-1420570, 1955444 y DMR-2138020), la Oficina de Investigación del Ejército (concesión n.º W911NF-22-1-0219), Harvard SEAS, la Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, una beca de posgrado en ingeniería y ciencias de la defensa nacional y una beca del Consorcio Nacional GEM.

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Harry Lewis y Marlyn McGrath Profesores de Ingeniería y Ciencias Aplicadas

William y Ami Kuan Danoff Profesor de Mecánica Aplicada

Pablo Karoff

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