Revolutionaire 3D-geprinte sensoren detecteren gebruikersinteractie in realtime

Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om mechanismen te 3D printen die detecteren hoe kracht toegepast wordt op een object. De structuren zijn gemaakt van een enkel stuk materiaal, zodat ze snel geprototyped kunnen worden. Een ontwerper kan deze methode gebruiken om interactieve invoerapparaten, zoals een joystick, schakelaar, of handgehouden controller, in één keer te 3D printen.

Om dit te bereiken, integreerden de onderzoekers elektroden in structuren gemaakt van metamaterialen, wat materialen zijn verdeeld in een rooster van herhalende cellen. Ze creëerden ook bewerkingssoftware die gebruikers helpt deze interactieve apparaten te bouwen.

Sensing kan direct geïntegreerd worden in de materiaalstructuur van objecten, wat intelligente omgevingen mogelijk maakt waarin objecten elke interactie met hen kunnen voelen. Bijvoorbeeld, een stoel of bank gemaakt van het slimme materiaal kan het lichaam van de gebruiker detecteren wanneer de gebruiker erop zit en het ofwel gebruiken om specifieke functies op te vragen (zoals het aanzetten van het licht of TV) of data verzamelen voor latere analyse (zoals het detecteren en corrigeren van lichaamshouding).

Omdat metamaterialen gemaakt zijn van een rooster van cellen, wanneer de gebruiker kracht toepast op een metamateriaal object, rekken of comprimeren enkele van de flexibele, interne cellen. De onderzoekers maakten gebruik hiervan door "geleidende schuifcellen" te creëren — flexibele cellen die twee tegenovergestelde muren hebben gemaakt van geleidend filament en twee muren gemaakt van niet-geleidend filament. De geleidende muren functioneren als elektroden.

Wanneer een gebruiker kracht toepast op het metamateriaal mechanisme — een joystick handle bewegen of de knoppen op een controller indrukken — rekken of comprimeren de geleidende schuifcellen en verandert de afstand en overlappende oppervlakte tussen de tegenovergestelde elektroden. Met capacitieve sensing kunnen die veranderingen gemeten worden en gebruikt worden om de grootte en richting van de toegepaste krachten te berekenen, alsook rotatie en versnelling. Door te begrijpen hoe joystick gebruikers krachten toepassen, kan een ontwerper unieke handvat vormen en formaten prototypen voor mensen met beperkte greepkracht in bepaalde richtingen.

Een ontwerper kan snel unieke, flexibele invoerapparaten voor een computer creëren en aanpassen, zoals een knijpbare volumeregelaar of buigbare stilo. Meta-Sense, de 3D editor die de onderzoekers ontwikkelden, stelt dit snelle prototypen in staat. Gebruikers kunnen handmatig sensing integreren in een metamateriaal ontwerp of de software de geleidende schuifcellen automatisch in optimale locaties plaatsen laten.

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