麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種方法，將傳感能力集成到由重復(fù)細(xì)胞組成的3D打印結(jié)構(gòu)中，這使設(shè)計(jì)師能夠快速原型化交互輸入設(shè)備。圖片來源:麻省理工學(xué)院

麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種3D打印機(jī)制的新方法，可以檢測(cè)施加在物體上的力。這些結(jié)構(gòu)是由單一的材料制成的，所以它們可以迅速被制成原型。設(shè)計(jì)師可以使用這種方法一次性打印“交互式輸入設(shè)備”，如操縱桿、開關(guān)或手持控制器。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員將電極集成到由超材料制成的結(jié)構(gòu)中，超材料被分成一個(gè)重復(fù)細(xì)胞網(wǎng)格。他們還開發(fā)了編輯軟件，幫助用戶構(gòu)建這些交互式設(shè)備。

“超材料可以支持不同的機(jī)械功能。但如果我們創(chuàng)造一個(gè)超材料門把手，我們是否也能知道門把手被旋轉(zhuǎn)了，如果是，旋轉(zhuǎn)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(gè)機(jī)制來滿足你的需求。”

龔琳娜與麻省理工學(xué)院電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)的研究生奧利維亞·肖(Olivia Seow)以及麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)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(xué)院研究生Jack Forman和資深作者Stefanie Mueller，后者是EECS的副教授，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的成員。這項(xiàng)研究將在下個(gè)月的計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)用戶界面軟件和技術(shù)研討會(huì)上公布。

“我發(fā)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目最令人興奮的是，它能夠?qū)⒏兄苯蛹傻轿矬w的材料結(jié)構(gòu)中。這將使新的智能環(huán)境成為可能，在這種環(huán)境中，我們的物體可以感知與它們的每次互動(dòng)，”穆勒說?！袄?一把椅子或沙發(fā)上由我們的智能材料可以檢測(cè)用戶的身體當(dāng)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(shù)據(jù)后分析(如檢測(cè)和糾正體位)?！?/p>

嵌入式電極

因?yàn)槌牧鲜怯删W(wǎng)格單元構(gòu)成的，當(dāng)用戶對(duì)超材料對(duì)象施加力時(shí)，一些靈活的內(nèi)部單元會(huì)拉伸或壓縮。

研究人員利用這一點(diǎn)創(chuàng)造了“導(dǎo)電剪切細(xì)胞”，這是一種柔性細(xì)胞，它有兩個(gè)相反的壁由導(dǎo)電絲制成，兩壁由不導(dǎo)電絲制成。導(dǎo)電壁起電極的作用。

當(dāng)用戶對(duì)這種超材料機(jī)構(gòu)施加壓力時(shí)——移動(dòng)操縱桿手柄或按下控制器上的按鈕——傳導(dǎo)剪切單元就會(huì)拉伸或壓縮，相反電極之間的距離和重疊區(qū)域就會(huì)發(fā)生變化。使用電容傳感技術(shù)，這些變化可以被測(cè)量，并用于計(jì)算施加的力的大小和方向，以及旋轉(zhuǎn)和加速度。

為了證明這一點(diǎn)，研究人員創(chuàng)造了一個(gè)超材料操縱桿，在手柄底部的每個(gè)方向(上、下、左、右)嵌入四個(gè)導(dǎo)電剪切細(xì)胞。當(dāng)用戶移動(dòng)操縱桿手柄時(shí)，相對(duì)的導(dǎo)電墻之間的距離和面積就會(huì)發(fā)生變化，所以每個(gè)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)師可以為在特定方向上握力有限的人設(shè)計(jì)獨(dú)特手柄形狀和尺寸的原型。

研究人員還設(shè)計(jì)了一種音樂控制器，以符合用戶的手。當(dāng)用戶按下其中一個(gè)柔性按鈕時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳導(dǎo)剪切單元被壓縮，感知到的輸入被發(fā)送到數(shù)字合成器。

這種方法可以讓設(shè)計(jì)師快速創(chuàng)建和調(diào)整獨(dú)特的、靈活的電腦輸入設(shè)備，比如可壓縮的音量控制器或可彎曲的觸控筆。

一個(gè)軟件解決方案

研究人員開發(fā)的3D編輯器metaSense實(shí)現(xiàn)了這種快速原型。用戶可以手動(dòng)將傳感集成到超材料設(shè)計(jì)中，或者讓軟件自動(dòng)將導(dǎo)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(shí)的變形情況，然后使用這種模擬變形來計(jì)算哪些單元格的距離變化最大。變化最大的細(xì)胞是導(dǎo)電剪切細(xì)胞的最佳候選細(xì)胞，”龔說。

研究人員努力使metaSense直接，但打印如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)存在挑戰(zhàn)。

“在多材料3D打印機(jī)中，一個(gè)噴嘴用于非導(dǎo)電燈絲，一個(gè)噴嘴用于導(dǎo)電燈絲。但這是相當(dāng)棘手的，因?yàn)檫@兩種材料可能有非常不同的性質(zhì)。它需要大量的參數(shù)調(diào)整來確定理想的速度、溫度等。但我們相信，隨著3D打印技術(shù)不斷進(jìn)步，未來用戶將更容易使用3D打印技術(shù)。”

在未來，研究人員希望改進(jìn)metaSense背后的算法，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的模擬。

他們也希望創(chuàng)造出具有更多導(dǎo)電剪切細(xì)胞的機(jī)制。Gong說，在一個(gè)非常大的機(jī)制中嵌入數(shù)百或數(shù)千個(gè)導(dǎo)電剪切細(xì)胞，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、實(shí)時(shí)可視化的用戶如何與一個(gè)物體交互。