Gli ingegneri del MIT creano oggetti stampati in 3D che percepiscono come un utente interagisce con loro

Advance integra il rilevamento direttamente nel materiale dell’oggetto, con applicazioni per tecnologie assistive e mobili “intelligenti”.

Insieme a I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per i meccanismi di stampa 3D che scopre come applicare la forza a un oggetto. Le strutture sono realizzate in un unico pezzo di materiale, quindi possono essere modellate rapidamente. Il progettista può utilizzare questo metodo per stampare in 3D “dispositivi di input interattivi”, come un joystick, un interruttore o una console portatile, in una volta sola.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno fuso gli elettrodi in strutture fatte di metamateriali, che sono materiali divisi in una rete di cellule ripetute. Hanno anche creato un software di editing che aiuta gli utenti a costruire questi dispositivi interattivi.

“materiale soprannaturale Può supportare varie funzioni meccaniche. Ma se creiamo una maniglia fatta di un materiale miracoloso, possiamo anche dire che la maniglia è ruotata, e se sì, di quanti gradi? “Se hai requisiti speciali per i sensori, il nostro lavoro ti consente di personalizzare un meccanismo per soddisfare le tue esigenze”, afferma il co-autore principale Jun Gong, un ex studente di dottorato del MIT che ora è ricercatore presso Apple.

Gong ha scritto il documento di ricerca insieme ai colleghi autori principali Olivia Siu, una studentessa laureata presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica (EECS) del MIT e Cedric Honett, assistente di ricerca presso il MIT Media Lab. Altri coautori sono Jack Forman, uno studente laureato al MIT, e l’autore principale Stephanie Mueller, professore associato presso l’EECS e membro del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). La ricerca sarà presentata il mese prossimo al simposio dell’Associazione per le macchine informatiche sul software e la tecnologia dell’interfaccia utente.

“Quello che trovo più eccitante del progetto è la capacità di integrare il rilevamento direttamente nella struttura fisica delle cose. Ciò consentirà nuovi ambienti intelligenti in cui i nostri corpi possono percepire ogni interazione con loro”, afferma Muller. “Ad esempio, una sedia o un divano realizzati con i nostri materiali intelligenti possono rilevare il corpo dell’utente quando l’utente è seduto su di esso e utilizzarlo per interrogare determinate funzioni (come accendere la luce o la televisione) o per raccogliere dati per analisi successive (come rilevare e correggere la posizione del corpo).”

Elettrodi compatti

Poiché i metamateriali sono costituiti da una rete di cellule, quando l’utente applica forza a un oggetto metamateriale, alcune delle cellule elastiche interne si espandono o si comprimono.

I ricercatori ne hanno approfittato creando “cellule di taglio conduttive”, che sono celle flessibili che hanno due pareti opposte fatte di filamenti conduttivi e due pareti fatte di filamenti non conduttivi. Le pareti conduttive fungono da elettrodi.

Quando l’utente applica forza al meccanismo metamateriale, spostando una maniglia del joystick o premendo i pulsanti sul controller, le cellule di taglio conduttive si espandono o si comprimono e la distanza e lo spazio intermedio tra gli elettrodi opposti cambiano. Utilizzando il rilevamento capacitivo, questi cambiamenti possono essere misurati e utilizzati per calcolare l’entità e la direzione delle forze applicate, nonché la rotazione e l’accelerazione.

Per dimostrarlo, i ricercatori hanno creato un joystick con un metamateriale che ha quattro celle di taglio conduttive incorporate attorno alla base dell’impugnatura in ogni direzione (su, giù, sinistra e destra). Quando l’utente sposta la manopola del joystick, la distanza e lo spazio tra le corrispondenti pareti conduttive cambiano, in modo da poter rilevare la direzione e l’entità di ciascuna forza applicata. In questo caso, questi valori sono stati convertiti in input per il gioco “PAC-MAN”.

Questo dispositivo di input flessibile è stampato in 3D in un unico pezzo con elettrodi sensore color rame integrati nel suo alloggiamento. Credito: per gentile concessione dei ricercatori

Comprendendo come gli utenti del joystick applicano le forze, un designer può prototipare forme e dimensioni uniche della maniglia per le persone con una forza di presa limitata in determinate direzioni.

I ricercatori hanno anche creato un controller musicale progettato per adattarsi alla mano dell’utente. Quando l’utente preme uno dei pulsanti software, le cellule di taglio conduttive vengono compresse all’interno del telaio e l’input di feltro viene inviato a un sintetizzatore digitale.

Gli elettrodi di rilevamento capacitivo in rame incorporati in questo meccanismo di metamateriale stampato in 3D vengono utilizzati per il rilevamento della pressione. Credito: per gentile concessione dei ricercatori

Questo metodo può consentire a un progettista di creare e modificare rapidamente dispositivi di input per computer unici e flessibili, come un controller del volume comprimibile o uno stilo pieghevole.

soluzione software

MetaSense, un editor 3D sviluppato dai ricercatori, consente la rapida prototipazione. Gli utenti possono incorporare manualmente il rilevamento nella progettazione del metamateriale o consentire al software di posizionare automaticamente le celle di taglio conduttive in posizioni ottimali.

“Lo strumento simulerà il modo in cui l’oggetto si deforma quando vengono applicate forze diverse, quindi utilizzerà la deformazione simulata per contare le celle con la massima variazione di distanza. Le celle che cambiano di più sono le migliori candidate per essere cellule di taglio conduttive”, afferma Jung.

I ricercatori hanno cercato di rendere MetaSense semplice, ma ci sono sfide nella stampa di strutture così complesse.

“In una stampante 3D multi-materiale, potresti usare un ugello per il filamento non conduttivo e useresti un ugello per il filamento conduttivo. Ma è molto complicato perché i due materiali possono avere proprietà molto diverse. Ci vuole molto della regolazione dei parametri per regolarla sulla velocità ideale, la temperatura, ecc. “Ma crediamo che, poiché la tecnologia di stampa 3D continua a migliorare, questo sarà molto più facile per gli utenti futuri”, afferma.

In futuro, i ricercatori vogliono migliorare gli algoritmi alla base di MetaSense per consentire simulazioni più complesse.

Sperano anche di creare meccanismi con molte celle di taglio conduttive. L’incorporazione di centinaia o migliaia di celle di taglio conduttive in un meccanismo molto grande può consentire visualizzazioni ad alta risoluzione e in tempo reale di come un utente interagisce con un oggetto, afferma Jung.

Riferimento: “MetaSense: Incorporare le capacità di rilevamento nella meccanica” di John Jung, Olivia Siu, Cedric Honett, Jack Foreman e Stephanie Muller.
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Questa ricerca è supportata dalla National Science Foundation.