麻省理工學院的研究人員開發了一種方法，將傳(chuan) 感能力集成到由重複細胞組成的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打印機製的新方法，可以檢測施加在物體(ti) 上的力。這些結構是由單一的材料製成的，所以它們(men) 可以迅速被製成原型。設計師可以使用這種方法一次性打印“交互式輸入設備”，如操縱杆、開關(guan) 或手持控製器。

為(wei) 了實現這一目標，研究人員將電極集成到由超材料製成的結構中，超材料被分成一個(ge) 重複細胞網格。他們(men) 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(men) 創造一個(ge) 超材料門把手，我們(men) 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(chuan) 感需求，我們(men) 的工作可以讓你定製一個(ge) 機製來滿足你的需求。”

龔琳娜與(yu) 麻省理工學院電子工程與(yu) 計算機科學係(EECS)的研究生奧利維亞(ya) ·肖(Olivia Seow)以及麻省理工學院媒體(ti) 實驗室的研究助理塞德裏克·霍尼特(Cedric Honnet)共同撰寫(xie) 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，後者是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(ge) 月的計算機協會(hui) 用戶界麵軟件和技術研討會(hui) 上公布。

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

嵌入式電極

因為(wei) 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(nei) 部單元會(hui) 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(liang) 個(ge) 相反的壁由導電絲(si) 製成，兩(liang) 壁由不導電絲(si) 製成。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——移動操縱杆手柄或按下控製器上的按鈕——傳(chuan) 導剪切單元就會(hui) 拉伸或壓縮，相反電極之間的距離和重疊區域就會(hui) 發生變化。使用電容傳(chuan) 感技術，這些變化可以被測量，並用於(yu) 計算施加的力的大小和方向，以及旋轉和加速度。

為(wei) 了證明這一點，研究人員創造了一個(ge) 超材料操縱杆，在手柄底部的每個(ge) 方向(上、下、左、右)嵌入四個(ge) 導電剪切細胞。當用戶移動操縱杆手柄時，相對的導電牆之間的距離和麵積就會(hui) 發生變化，所以每個(ge) 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”遊戲的輸入。

通過了解操縱杆用戶如何施加力量，設計師可以為(wei) 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(le) 控製器，以符合用戶的手。當用戶按下其中一個(ge) 柔性按鈕時，結構內(nei) 的傳(chuan) 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製器或可彎曲的觸控筆。

一個(ge) 軟件解決(jue) 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(chuan) 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(ti) 在施加不同力時的變形情況，然後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，但打印如此複雜的結構存在挑戰。

“在多材料3D打印機中，一個(ge) 噴嘴用於(yu) 非導電燈絲(si) ，一個(ge) 噴嘴用於(yu) 導電燈絲(si) 。但這是相當棘手的，因為(wei) 這兩(liang) 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(men) 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背後的算法，以實現更複雜的模擬。

他們(men) 也希望創造出具有更多導電剪切細胞的機製。Gong說，在一個(ge) 非常大的機製中嵌入數百或數千個(ge) 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(yu) 一個(ge) 物體(ti) 交互。