Robot lavorati a maglia 3D

Apr 27, 2023

La robotica morbida presenta numerosi vantaggi chiave rispetto alle controparti rigide, comprese le caratteristiche di sicurezza intrinseche (i materiali morbidi con movimenti alimentati da camere d'aria gonfiate e sgonfiate possono essere utilizzati in sicurezza in ambienti fragili o in prossimità di esseri umani), nonché la loro flessibilità che consente loro di adattarsi in spazi ristretti. I tessuti sono diventati un materiale di prima scelta per la costruzione di molti tipi di robot morbidi, in particolare quelli indossabili, ma i tradizionali metodi di produzione “taglia e cuci” hanno lasciato molto a desiderare.

Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno stabilito un nuovo approccio per la produzione additiva di robotica morbida, utilizzando un metodo di lavorazione a maglia 3D in grado di “stampare” olisticamente interi robot morbidi. Il loro lavoro è riportato in Advanced Functional Materials.

"La comunità della robotica morbida è ancora nella fase di ricerca di approcci alternativi ai materiali che ci consentiranno di andare oltre le forme e le funzioni dei robot rigidi più classici", afferma Robert Wood, autore senior corrispondente dell'articolo, che è Harry Lewis e Marlyn McGrath Professore di Ingegneria e Scienze Applicate alla SEAS.

"I tessuti sono interessanti poiché possiamo modificare radicalmente le loro proprietà strutturali scegliendo le fibre che li costituiscono e il modo in cui tali fibre interagiscono tra loro", afferma Wood.

"Utilizzando metodi 'taglia e cuci', è necessario produrre grandi fogli di materiale tessile che poi si tagliano in modelli che vengono assemblati mediante cucitura o incollaggio - e questo in genere comporta un alto livello di lavoro umano", afferma Vanessa Sanchez, prima autrice sulla carta e un ex dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Wood. "Ogni cucitura aggiunge costi e potenziali punti di guasto. Per la produzione di dispositivi robotici complessi, questa può essere una grande sfida."

Sanchez è rimasto incuriosito dal concetto del lavoro a maglia 3D, che può produrre articoli di abbigliamento senza cuciture con poco spreco di materiale. Si chiedeva se il metodo potesse essere adattato per creare robot morbidi basati sul settore tessile.

Il team ha acquistato una macchina per maglieria vintage con schede perforate e Sanchez si è messo in contatto con esperti di maglieria della Rhode Island School of Design e della Parsons School of Design and Fashion Institute of Technology.

Per automatizzare il processo di lavorazione a maglia, Sanchez e il team avevano anche bisogno di sviluppare un software in grado di indirizzare le attrezzature per maglieria – macchine spesso vecchie di diversi decenni – per realizzare strutture complesse con vari tipi di filati. "In un caso, ho dovuto ingannare il macchinario, utilizzando un programma software, facendogli credere che il mio computer fosse un floppy disk", afferma Sanchez. Dopo che gli esperimenti iniziali si sono rivelati promettenti, il team è passato a una macchina più moderna e automatizzata.

James McCann, professore assistente presso il Carnegie Mellon Robotics Institute, ha collaborato al software. "Il team voleva sviluppare e caratterizzare un'ampia gamma di attuatori morbidi: non stavano costruendo solo un modello, stavano costruendo un'intera serie di modelli parametrici", afferma McCann. "Questo è difficile da fare con i tradizionali software di progettazione per maglieria, che generalmente si concentrano sullo sviluppo manuale di singoli output invece che su famiglie parametriche di output facilmente regolabili."

Per creare una soluzione alternativa, il team ha descritto i modelli 3D utilizzando un formato di file “knitout” – una descrizione della lavorazione a maglia scritta in linguaggi di programmazione generici – e quindi ha sviluppato un codice per tradurre tali descrizioni di lavorazione a maglia per eseguirle sulla macchina per maglieria desiderata.

"La cosa interessante dello sviluppo di modelli parametrici in un formato di lavoro a maglia generico come knitout è che altri gruppi con diversi tipi di macchine per maglieria possono utilizzare e costruire sugli stessi modelli, senza grandi sforzi di traduzione", afferma McCann.

Dopo aver impostato il processo di lavorazione a maglia 3D, Sanchez e i suoi collaboratori hanno condotto una serie di esperimenti per creare, per la prima volta, un’ampia libreria di conoscenze sul modo in cui i vari parametri di lavorazione a maglia influiscono sulle proprietà meccaniche del materiale risultante. Testando 20 diverse combinazioni di filato, struttura e altro, il team ha caratterizzato il modo in cui le diverse architetture della maglia influiscono sulla piegatura e sullo spiegamento, sulla geometria strutturale e sulle proprietà di trazione.