Неравномерность 3D-печати позволила создать пластиковый аналог ткани
Американские инженеры научились печатать на 3D-принтере сетчатые структуры, которые по своему строению и свойствам похожи на ткань. Они получаются при неравномерном выходе материала из экструдера принтера. Метод позволяет создавать «ткань», структурированную на разных масштабах, предназначенную для разных применений, рассказывают авторы статьи, представленной на конференции UIST 2020.
Ткань — это удобный для многих применений материал, который, с одной стороны, имеет немалую относительную прочность, а с другой, его можно растягивать, сгибать или мять без повреждения. Инженеры не только улучшают свойства тканей и методы плетения, но и пытаются создавать материалы с близкими свойствами, но иным составом и структурой. Некоторые из них предлагают создавать массив из случайно ориентированных волокон, другие создают гибриды с тканной основой и напечатанными на ней вставками, третьи напрямую повторяют плетеную структуру ткани, используя только 3D-печать.
Инженеры из Массачусетского технологического института под руководством Хироси Исии (Hiroshi Ishii) разработали более простой метод. Он основан на классическом и самом популярном виде 3D-печати — FDM или моделировании послойным наплавлением. При этом методе печатающая головка принтера расплавляет пластиковую нить и выдавливает расплав через сопло, нанося его на подложку или предыдущий слой. Одна из особенностей метод заключается в том, что качество нанесения и удержания материала зависит от его вязкости и объема экструзии. При некоторых комбинациях параметров нанесение становится неравномерным. В том числе при низком объеме экструзии может образовываться череда бугорков, соединенных нитью, которая не касается предыдущего (нижнего) слоя.
Авторы решили использовать такой режим нанесения для создания сетчатой структуры, отчасти напоминающей ткань. В качестве материала инженеры использовали разные вещества, в основном PLA-пластик. Они условно сравнивают линию, проходящую через бугорки, основой, а линию, формируемую тонкими нитями, утком по аналогии с такими же структурными элементами в ткацком переплетении. В зависимости от того, с какой очередностью наносятся слои, структура получается разной. Если направление каждого следующего слоя такое же, как и у предыдущего, то основа в каждом следующем слое смещается в сторону. А если направление слоев чередуется, то структура получается ровной.
Отличие нового типа материала от ткани заключается в том, что его можно создавать не только плоским, но и объемным. К примеру, можно напечатать оригами-структуру, напоминающую гармошку. Инженеры напечатали множество разных прототипов, в том числе складной абажур для лампы, карман для телефона или кошелька, прикрепленный к футболке при помощи утюга, гипюровые узоры и другие.
Недавно инженеры из Нидерландов и Канады научились совмещать вышивку и 3D-печать для создания функциональной одежды. Метод позволяет вшивать в ткань электрические схемы из проводящего волокна, а над ними печатать из пластика кнопки, которые можно использовать, к примеру, для управления плеером.
Григорий Копиев
И реагировать на них движениями
Американские инженеры связали на автоматическом станке свитеры для роботов, которые помогают ощущать прикосновения с помощью вшитых датчиков нажима. Свитеры пригодятся, чтобы управлять движениями роботов на производстве. Работа доступна на arXiv.org. Для работы на производстве с людьми, роботам нужно быть очень осторожными, чтобы случайно не травмировать человека. Есть разные способы сделать роботов безопасными, например прикреплять к ним мягкие подушки. Другая идея — научить роботов быстро определять контакт и отодвигаться от человека. В отличие от людей, у роботов нет кожи, но для них можно сделать другую систему для распознавания ощущений из жестких или эластичных материалов, или даже одежду из текстиля, если встроить в нее датчики прикосновений. Одежду можно быстро изготавливать на ткацком станке в промышленных масштабах, и надевать на роботов разных форм и размеров. Группа инженеров из Университета Карнеги под руководством Джеймса МакКанна (James McCann) и Ян Вэньчжэня (Yuan Wenzhen) создала свитеры для роботов, которые могут надежно определять прикосновения. По словам авторов, обычно у текстильных сенсоров есть проблема: они быстро деформируются и перестают надежно работать. Исследователи попробовали с этим справиться, связав свитеры из трех слоев пряжи. Верхний и нижний слой сделаны из обычного нейлона, на котором чередуются широкие и узкие полосы. Широкие полосы сотканы из полиэстеровой металлизированной пряжи, которая хорошо проводит электричество, а узкие полосы изолятора сделаны из акрила. Средний слой — это сетка из района (искусственного шелка). Чем она тоньше, тем выше чувствительность свитера к легким прикосновениям, и наоборот — плотный средний слой подходит для сильных нажатий. Слои ткани с помощью пуговиц с проводами соединяются с устройством для считывания сопротивления, и вместе с ним превращаются в электронную схему. Когда кто-то дотрагивается до свитера, верхний и нижний слои ткани соприкасаются через отверстия в районовой сетке, и сопротивление в системе уменьшается. По сопротивлению можно определить силу нажатия. Инженеры протестировали, насколько надежно устройство определяет силу и место контакта со свитером. Первая серия экспериментов проверяла, как эффективность сенсоров меняется со временем. Эксперименты включали 42 секунды контакта с сенсорами по 20-30 раз на протяжении 4 дней. Авторы не приводят точные цифры результатов, но утверждают что сенсоры показывали стабильные результаты по определению места контакта все 4 дня, с небольшими погрешностями в конце эксперимента. Также исследователи протестировали точность сенсоров на плоской и изогнутой поверхности. На плоской поверхности по сопротивлению датчиков можно было точно определить силу нажатия. На изогнутой поверхности корреляция между сопротивлением и силой нажатия сохранилась, но выросло ее стандартное отклонение. Таким образом, сложность поверхности негативно повлияла на точность определения нажатия. Наконец, инженеры проверили эффективность чувствительных свитеров на роботах. Они надели свитер на робота Kuri, который должен был повернуть голову в ответ на прикосновение. В будущем технологию RobotSweater можно использовать, чтобы обучать роботов: например, похлопать по плечу в качестве похвалы. Пока инженеры показали, как свитеры могут пригодиться на производстве: например, промышленный робот в свитере останавливается и меняет направление движения в ответ на прикосновения. https://www.youtube.com/watch?v=YGUV1dHuCRc Прикосновения может определять не только одежда для роботов, но и искусственная кожа, которую разработала группа ученых из Стэнфордского университета. Пока кожу испытали на крысах, но авторы планируют в будущем встроить ее в человеческие протезы, чтобы улучшить их чувствительность.