3D-geprinte objecten voelen hoe een gebruiker ermee omgaat

Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om mechanismen te 3D-printen die detecteren hoe kracht op een object wordt uitgeoefend. De structuren zijn gemaakt uit één stuk materiaal, zodat ze snel kunnen worden geprototypeerd. Een ontwerper zou deze methode kunnen gebruiken om in één keer interactieve invoerapparaten, zoals een joystick, schakelaar of handcontroller, in 3D te printen.

Om dit te bereiken, integreerden de onderzoekers elektroden in structuren gemaakt van metamaterialen, materialen die zijn verdeeld in een raster van herhalende cellen. Ze hebben ook bewerkingssoftware gemaakt waarmee gebruikers deze interactieve apparaten kunnen bouwen.

Sensing kan direct worden geïntegreerd in de materiële structuur van objecten, waardoor intelligente omgevingen mogelijk worden waarin objecten elke interactie met hen kunnen voelen. Een stoel of bank gemaakt van het slimme materiaal kan bijvoorbeeld het lichaam van de gebruiker detecteren wanneer de gebruiker erop gaat zitten en deze gebruiken om bepaalde functies op te vragen (zoals het licht of de tv aandoen) of gegevens verzamelen voor latere analyse (zoals lichaamshouding detecteren en corrigeren).

Omdat metamaterialen zijn gemaakt van een raster van cellen, rekken of comprimeren sommige flexibele inwendige cellen wanneer de gebruiker kracht uitoefent op een metamateriaalobject. De onderzoekers profiteerden hiervan door "geleidende afschuifcellen" te creëren - flexibele cellen met twee tegenover elkaar liggende wanden gemaakt van geleidend filament en twee wanden gemaakt van niet-geleidend filament. De geleidende wanden fungeren als elektroden.

Wanneer een gebruiker kracht uitoefent op het metamateriaalmechanisme - door een joystickhendel te bewegen of op de knoppen op een controller te drukken - rekken of comprimeren de geleidende schuifcellen en verandert de afstand en het overlappende gebied tussen de tegenoverliggende elektroden. Met behulp van capacitieve detectie kunnen die veranderingen worden gemeten en gebruikt om de grootte en richting van de uitgeoefende krachten te berekenen, evenals rotatie en versnelling. Door te begrijpen hoe gebruikers van joysticks krachten uitoefenen, kan een ontwerper prototypen van unieke handgreepvormen en -afmetingen voor mensen met beperkte grijpkracht in bepaalde richtingen.

Een ontwerper kan snel unieke, flexibele invoerapparaten voor een computer maken en aanpassen, zoals een samenknijpbare volumeregelaar of buigbare stylus. Meta-Sense, de 3D-editor die de onderzoekers ontwikkelden, maakt deze snelle prototyping mogelijk. Gebruikers kunnen detectie handmatig integreren in een metamateriaalontwerp of de software de geleidende schuifcellen automatisch op optimale locaties laten plaatsen.

De tool simuleert hoe het object zal worden vervormd wanneer verschillende krachten worden uitgeoefend en gebruikt vervolgens deze gesimuleerde vervorming om te berekenen welke cellen de maximale afstandsverandering hebben. De cellen die het meest veranderen, zijn de optimale kandidaten om geleidende afschuifcellen te zijn.