연구원들은 빛에 반응하고 전자 장치 없이 움직이는 기계를 만드는 데 사용할 수 있는 새로운 3D 인쇄 가능 소재를 설계했습니다.
이러한 '소프트 로봇' 또는 '소프트 머신'은 액정 엘라스토머라는 신소재로 만들어지고 금나노막대와 결합된다. 지금까지 연구자들은 굴릴 수 있는 실린더, 앞으로 움직이는 “크롤러”, 레이저 광에 노출될 때 진동하는 격자 구조를 인쇄하는 데 해당 재료를 성공적으로 사용했습니다.
연구원들은 이와 같은 재료로 만들어진 로봇이 언젠가는 인간이 가기에 안전하지 않은 동굴이나 기타 환경을 탐험하는 데 사용될 수 있다고 말합니다. 새로운 물질은 다음과 같이 발표된 새로운 연구에 설명되어 있습니다. 주제.
반응형 인쇄 가능 잉크
액정은 물질의 이국적인 상태입니다. 그들은 액체처럼 자연적으로 흐르는 약간 상호 연결된 분자로 구성되어 있지만, 침전되면 주기적으로 고체처럼 결정 배열로 채워집니다.
LCE(액정 엘라스토머) 재료는 신축성 엘라스토머 네트워크에 내장된 액정 구조를 사용하여 비슷한 방식으로 작동합니다. 이 특이한 구조는 재료에 예상치 못한 특성을 줄 수 있습니다.
이전에는 열에 반응하는 섬유 섬유를 만드는 데 LCE 소재가 사용되었습니다. 섬유가 가열되면 액정 분자가 정렬에서 벗어나기 시작하고 엘라스토머 메쉬를 서로 잡아당겨 직조된 직물이 팽팽해지게 됩니다. 이는 압축 의류나 기타 적응형 의류에 유용할 수 있습니다.
이제 연구자들은 금 나노 막대와 결합된 LCE 재료를 사용하여 레이저 광에 반응하여 움직이는 3D 인쇄 가능한 “잉크”를 만들고 있습니다. 이 경우 LCE 물질의 움직임은 광열 작동이라는 과정으로 인해 발생합니다.
“이 복합 재료(이 경우 액정 엘라스토머의 금 나노 막대)가 있으면 광열 효과가 있습니다.” 설명하기 수석 조사관 케이틀린 크리코리안(요리사)로렌스 리버모어 국립 연구소 재료 공학 부문의 폴리머 엔지니어이자 그룹 리더입니다.
“와 함께 [infrared] 빛을 받으면 열 효과가 발생하여 정렬된 입자가 편향됩니다. 이러한 어긋남 과정에서 균일한 가열이 이루어지면 전체적인 형태의 변화가 발생하게 됩니다. 하지만 이 경우 국지적인 온도 변화가 있을 수 있습니다. 이를 통해 모양의 국지적 영역을 이동과 같은 작업으로 변환할 수 있습니다.
소프트 로봇공학을 위한 신소재
연구원들은 새로운 LCE 복합 재료와 레이저, 그리고 카메라와 추적 소프트웨어가 포함된 컴퓨터 비전 시스템을 사용하여 실린더의 움직임을 3D 프린팅하고 제어할 수 있었습니다.
컴퓨터 추적 시스템은 실린더의 위치를 지속적으로 모니터링하여 필요에 따라 레이저 빔을 조정하여 실린더를 이동하고 제어된 방식으로 전진하도록 합니다.
연구원들은 또한 레이저에 반응하여 진동할 수 있는 메쉬 시트와 앞으로 이동할 수 있는 일부 비대칭 “크롤러”를 포함하여 좀 더 정교한 소프트 기계를 인쇄할 수 있었습니다.
팀은 움직이는 드럼이 움직일 때 와이어 길이를 움직이는 것과 같은 기본 작업을 수행하는 데 이러한 기계의 유용성을 시연했습니다.
연구진은 이러한 물질이 '소프트 머신'이나 '소프트 로봇공학' 분야에 유용할 수 있다고 말한다. 이 로봇 공학 분야는 전통적인 금속이나 플라스틱 부품보다 더 유연하고 순응적인 재료로 만들어진 로봇과 관련이 있습니다. 예를 들어, 소프트 로봇 공학은 신체의 자연스러운 움직임에 따라 구부러지는 이식형 장치나 고급 보철물을 만드는 등 의료 분야에서 유용할 수 있습니다.
“강성 로봇은 인간이 상호 작용하기에 이상적이지 않을 수 있으므로 더 많은 규정을 준수하는 시스템과 재료가 필요합니다.” 그는 말했다 논문의 첫 번째 저자 마이클 포드, 로렌스 리버모어 국립 연구소 고성능 재료 그룹의 박사후 연구원. “우리는 로봇을 구성하는 구성 요소부터 시작하는데, 그 구성 요소 중 하나가 모터입니다. 바로 여기에서 이러한 재료가 들어오고 기능성을 발휘할 수 있는 잠재력이 있습니다.”
“그것은 계산 복잡성을 줄여줍니다. 온보드 전자 장치를 제거하고 이를 모든 작업을 수행할 수 있는 단일 재료로 대체하는 재료를 만드는 것입니다.” 이를 통해 다른 구성 요소에 더 많은 계산 복잡성을 추가하거나 추진력을 높일 수 있습니다. 전통적인 고체 재료를 사용하여 다른 방법으로는 할 수 없는 다른 센서에 적용할 수 있습니다.”
독립적이고 의식적인 주제를 향하여
이 새로운 LCE 소재가 더 넓은 로봇 공학 응용 분야에 사용되기 전에 극복해야 할 몇 가지 주목할만한 과제가 여전히 남아 있습니다. 연구자들은 자신이 만든 구조물 중 일부가 예상치 못한 방식으로 뒤집히거나 움직이는 경향이 있다는 사실을 발견했는데, 이는 매우 구체적인 지시를 수행하려고 할 때 문제가 복잡해졌습니다. 이러한 물질이 어떻게 움직이는지에 대한 더 나은 컴퓨터 시뮬레이션을 구축하면 이러한 측면을 제거하는 데 도움이 될 수 있다고 그들은 말합니다.
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팀은 새로운 제어 시스템과 컴퓨터 알고리즘을 통해 이러한 소프트 머신이 보다 지능적인 방식으로 환경과 상호 작용할 수 있기를 바라고 있습니다.
“우리 모두는 주제를 보다 독립적으로 만드는 방법을 생각하고 있습니다. Cook은 “그것들은 감지하고, 반응하고, 프로그래밍하고, 학습하고, 결정하고, 의사소통할 수 있는 의식적인 자료입니다.”라고 말했습니다. “이러한 액정 엘라스토머는 반응형 재료입니다. 자극을 감지하고 반응할 수 있으며 매번 반복적으로 반응하지만 기억력이나 반복되는 자극을 학습하고 그에 따라 반응하는 방법이 없습니다. 일종의 기계적 계산과 결합할 수 있는 것 외에는 아직 의사소통 방법이 없습니다. 이것은 실제로 우리가 달성하려고 노력하는 재료이며, 이를 위해서는 5~10년의 노력이 필요할 수 있습니다.
다음으로 Cook 팀은 습도 변화나 에너지 흡수와 같이 빛과 열 이외의 다른 유형의 자극에 반응할 수 있는 LCE 재료를 개발하려고 합니다. 그들은 또한 그러한 재료가 우주 및 기타 극한 환경에서 어떤 종류의 조건에 직면할 수 있는지 살펴보고 싶어합니다.
참조: 포드 MJ, Porcincola DH, Telles R 등. 빛에 따른 움직임: 인쇄된 액정 엘라스토머의 빛 반응 형태 형성. 주제. 도이:10.1016/j.matt.2024.01.006
이 글은 의역입니다 보도 자료 로렌스 리버모어 국립연구소 발행. 자료의 길이와 내용이 편집되었습니다.
"트위터를 통해 다양한 주제에 대한 생각을 나누는 아 동율은 정신적으로 깊이 있습니다. 그는 맥주를 사랑하지만, 때로는 그의 무관심함이 돋보입니다. 그러나 그의 음악에 대한 열정은 누구보다도 진실합니다."