麻省理工學院的研究人員開發了一種方法，將傳感能力集成到由重復細胞組成的3D打印結構中，這使設計師能夠快速原型化交互輸入設備。圖片來源:麻省理工學院

麻省理工學院的研究人員開發了一種3D打印機制的新方法，可以檢測施加在物體上的力。這些結構是由單一的材料制成的，所以它們可以迅速被制成原型。設計師可以使用這種方法一次性打印“交互式輸入設備”，如操縱桿、開關或手持控制器。

為了實現這一目標，研究人員將電極集成到由超材料制成的結構中，超材料被分成一個重復細胞網格。他們還開發了編輯軟件，幫助用戶構建這些交互式設備。

“超材料可以支持不同的機械功能。但如果我們創造一個超材料門把手，我們是否也能知道門把手被旋轉了，如果是，旋轉了多少度?如果你有特殊的傳感需求，我們的工作可以讓你定制一個機制來滿足你的需求。”

龔琳娜與麻省理工學院電子工程與計算機科學系(EECS)的研究生奧利維亞·肖(Olivia Seow)以及麻省理工學院媒體實驗室的研究助理塞德里克·霍尼特(Cedric Honnet)共同撰寫了這篇論文。其他合著者包括麻省理工學院研究生Jack Forman和資深作者Stefanie Mueller，后者是EECS的副教授，也是計算機科學和人工智能實驗室(CSAIL)的成員。這項研究將在下個月的計算機協會用戶界面軟件和技術研討會上公布。

“我發現這個項目最令人興奮的是，它能夠將感知直接集成到物體的材料結構中。這將使新的智能環境成為可能，在這種環境中，我們的物體可以感知與它們的每次互動，”穆勒說。“例如,一把椅子或沙發上由我們的智能材料可以檢測用戶的身體當用戶坐在它,要么用它來查詢特定功能(如打開光或電視)或收集數據后分析(如檢測和糾正體位)。”

嵌入式電極

因為超材料是由網格單元構成的，當用戶對超材料對象施加力時，一些靈活的內部單元會拉伸或壓縮。

研究人員利用這一點創造了“導電剪切細胞”，這是一種柔性細胞，它有兩個相反的壁由導電絲制成，兩壁由不導電絲制成。導電壁起電極的作用。

當用戶對這種超材料機構施加壓力時——移動操縱桿手柄或按下控制器上的按鈕——傳導剪切單元就會拉伸或壓縮，相反電極之間的距離和重疊區域就會發生變化。使用電容傳感技術，這些變化可以被測量，并用于計算施加的力的大小和方向，以及旋轉和加速度。

為了證明這一點，研究人員創造了一個超材料操縱桿，在手柄底部的每個方向(上、下、左、右)嵌入四個導電剪切細胞。當用戶移動操縱桿手柄時，相對的導電墻之間的距離和面積就會發生變化，所以每個作用力的方向和大小都可以被感知。在這種情況下，這些值被轉換成“吃豆人”游戲的輸入。

通過了解操縱桿用戶如何施加力量，設計師可以為在特定方向上握力有限的人設計獨特手柄形狀和尺寸的原型。

研究人員還設計了一種音樂控制器，以符合用戶的手。當用戶按下其中一個柔性按鈕時，結構內的傳導剪切單元被壓縮，感知到的輸入被發送到數字合成器。

這種方法可以讓設計師快速創建和調整獨特的、靈活的電腦輸入設備，比如可壓縮的音量控制器或可彎曲的觸控筆。

一個軟件解決方案

研究人員開發的3D編輯器metaSense實現了這種快速原型。用戶可以手動將傳感集成到超材料設計中，或者讓軟件自動將導電剪切單元放置在最佳位置。

“該工具將模擬物體在施加不同力時的變形情況，然后使用這種模擬變形來計算哪些單元格的距離變化最大。變化最大的細胞是導電剪切細胞的最佳候選細胞，”龔說。

研究人員努力使metaSense直接，但打印如此復雜的結構存在挑戰。

“在多材料3D打印機中，一個噴嘴用于非導電燈絲，一個噴嘴用于導電燈絲。但這是相當棘手的，因為這兩種材料可能有非常不同的性質。它需要大量的參數調整來確定理想的速度、溫度等。但我們相信，隨著3D打印技術不斷進步，未來用戶將更容易使用3D打印技術。”

在未來，研究人員希望改進metaSense背后的算法，以實現更復雜的模擬。

他們也希望創造出具有更多導電剪切細胞的機制。Gong說，在一個非常大的機制中嵌入數百或數千個導電剪切細胞，可以實現高分辨率、實時可視化的用戶如何與一個物體交互。