麻省理工超材料嵌入式電極的3D 打印交互式輸入設備

【導讀】：

研究人員應用超材料開發了一種方法來創建3D 打印機制，以檢測力如何施加到物體上。設計人員可以使用這種方法快速制作原型和 3D 打印設備，例如操縱杆、開關或手持控制器

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，可以檢測力是如何施加到物體上的。這些結構由一塊材料制成，因此可以快速制作原型。設計人員可以使用這種方法一次性 3D 打印“交互式輸入設備”，例如操縱杆、開關或手持控制器。

為了實現這一目标，研究人員将電極集成到由超材料制成的結構中，超材料是分成重複細胞網格的材料。他們還創建了幫助用戶構建這些交互式設備的編輯軟件。

“超材料可以支持不同的機械功能。但是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正在旋轉，如果是，旋轉了多少度？如果您有特殊的傳感要求，我們的工作使您能夠定制一個機制來滿足您的需求，”共同主要作者、前訪問博士的龔軍說。麻省理工學院的學生，現在是蘋果公司的研究科學家。

“我覺得這個項目最令人興奮的是能夠将傳感直接集成到物體的材料結構中。這将實現新的智能環境，我們的物體可以在其中感知與它們的每次交互，”穆勒說。“例如，當用戶坐在上面時，由我們的智能材料制成的椅子或沙發可以檢測到用戶的身體，并使用它來查詢特定功能（例如打開燈或電視）或收集數據以供以後分析（例如檢測和糾正身體姿勢）。”

嵌入式電極

由于超材料由單元格制成，當用戶對超材料對象施加力時，一些柔性的内部單元會拉伸或壓縮。

研究人員通過創建“導電剪切電池”來利用這一點，這種柔性電池具有兩個由導電細絲制成的相對壁和兩個由非導電細絲制成的壁。導電壁起到電極的作用。

當用戶向超材料機構施加力時——移動操縱杆手柄或按下控制器上的按鈕——導電剪切單元拉伸或壓縮，并且相對電極之間的距離和重疊面積發生變化。使用電容感應，這些變化可以被測量并用于計算所施加力的大小和方向，以及旋轉和加速度。

為了證明這一點，研究人員創建了一個超材料操縱杆，在手柄底部的每個方向（上、下、左和右）嵌入了四個導電剪切單元。當用戶移動操縱杆手柄時，相對的導電壁之間的距離和面積會發生變化，因此可以感應到每個施加的力的方向和大小。在這種情況下，這些值被轉換為“PAC-MAN”遊戲的輸入。

通過了解操縱杆用戶如何施加力，設計師可以為在某些方向上握力有限的人設計獨特的手柄形狀和尺寸。

研究人員還創建了一個音樂控制器，旨在适應用戶的手部。當用戶按下其中一個柔性按鈕時，結構内的導電剪切單元被壓縮，感測到的輸入被發送到數字合成器。

集成到這種 3D 打印超材料機制中的銅色電容感應電極用于感應壓縮。

這種方法可以讓設計人員快速創建和調整獨特、靈活的計算機輸入設備，例如可擠壓的音量控制器或可彎曲的手寫筆。

3D打印編輯器 MetaSense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設計。用戶可以手動将傳感集成到超材料設計中，或者讓軟件自動将導電剪切單元放置在最佳位置。

“該工具将模拟在施加不同力時物體如何變形，然後使用這種模拟變形來計算哪些單元格的距離變化最大。變化最大的單元格是導電剪切單元的最佳候選者，”龔說。

研究人員努力使 MetaSense 變得簡單明了，但打印如此複雜的結構存在挑戰。

“在多材料 3D 打印機中，一個噴嘴将用于非導電燈絲，一個噴嘴将用于導電燈絲。但這非常棘手，因為這兩種材料可能具有非常不同的特性。需要大量參數調整才能解決關于理想的速度、溫度等。但我們相信，随着 3D 打印技術的不斷改進，未來用戶将更容易做到這一點，”他說。

未來，研究人員希望改進 MetaSense 背後的算法，以實現更複雜的模拟。

他們還希望創建具有更多導電剪切電池的機制。龔說，在一個非常大的機制中嵌入數百或數千個導電剪切單元可以實現用戶如何與對象交互的高分辨率、實時可視化。

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