Некоторые виды 3D-печатных объектов теперь можно «пощупать», используя новую технологию, позволяющую встраивать датчики непосредственно в материал. Новое исследование показало, что это может привести к созданию новых интерактивных устройств, таких как умная мебель.
Эта новая технология использует метаматериалы – вещества, состоящие из сетки повторяющихся звеньев, – для 3D-печати объектов. При приложении силы к гибкому метаматериалу некоторые его ячейки могут растягиваться или сжиматься. Электроды, встроенные в эти структуры, могут регистрировать величину и направление этих изменений формы, а также вращение и ускорение.
В новом исследовании учёные изготовили объекты из гибкого пластика и проводящих нитей. Ширина ячеек составляет всего 5 мм.
Каждая ячейка имеет две противостоящие стенки, изготовленные из проводящих нитей и непроводящего пластика. Проводящие стенки служат электродами. Сила, приложенная к объекту, изменяет расстояние и площадь перекрытия между противостоящими электродами, создавая электрический сигнал, отображающий подробную информацию о приложенной силе. Соавтор исследовательского отчёта отметил, что таким образом новая технология позволяет «бесшовно и незаметно интегрировать сенсорную технологию в печатные объекты».
Исследователи утверждают, что эти метаматериалы могут помочь разработчикам быстро создавать и настраивать гибкие компьютерные устройства ввода. Например, они использовали эти метаматериалы для создания музыкального контроллера, повторяющего форму человеческой руки. Когда пользователь нажимает одну из гибких кнопок, генерируемый электрический сигнал помогает управлять цифровым синтезатором.
Учёные также создали джойстик из метаматериала для игры в Pac-Man. Понимая, как люди прикладывают силу к этому джойстику, дизайнеры могут создавать уникальные формы и размеры рукояток для людей с ограниченным захватом в определённых направлениях.
Соавтор исследовательского отчёта заявил: «Мы можем воспринимать движение в любом объекте, напечатанном на 3D-принтере. От музыки до игровых интерфейсов — потенциал поистине впечатляет».
Исследователи также создали программное обеспечение для 3D-редактирования MetaSense, которое поможет пользователям создавать интерактивные устройства с использованием этих метаматериалов. Оно моделирует деформацию 3D-печатного объекта под действием различных сил и вычисляет, какие клетки изменяются сильнее всего и лучше всего подходят для использования в качестве электродов.
MetaSense позволяет дизайнерам печатать на 3D-принтере конструкции со встроенными датчиками за один проход. Это значительно ускоряет создание прототипов устройств, таких как джойстики, которые можно настраивать для людей с различными потребностями в доступности.
Встраивание сотен или тысяч датчиков в объект может помочь в высокоточном анализе взаимодействия пользователя с ним в режиме реального времени. Например, умное кресло из этого метаматериала может распознавать тело пользователя, а затем включать свет или телевизор, или собирать данные для последующего анализа, например, определения и коррекции позы. Эти метаматериалы также могут найти применение в носимых устройствах.
Время публикации: 27 сентября 2021 г.
