Objetos impresos en 3D que detectan cómo un usuario interactúa con ellos

Advance incorpora la detección directamente en el material de un objeto, con aplicaciones para tecnología de asistencia y muebles «inteligentes».Investigadores del MIT han desarrollado un método para integrar capacidades de detección en estructuras imprimibles en 3D compuestas por celdas repetitivas, lo que permite a los diseñadores crear prototipos rápidamente de dispositivos de entrada interactivos.
Oficina de noticias del MIT
Créditos: Foto: Cortesía de los investigadores

Los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo método para imprimir en 3D mecanismos que detectan cómo se aplica la fuerza a un objeto. Las estructuras están hechas de una sola pieza de material, por lo que pueden prototiparse rápidamente. Un diseñador podría usar este método para imprimir en 3D «dispositivos de entrada interactivos», como un joystick, un interruptor o un controlador de mano, de una sola vez.

Para lograr esto, los investigadores integraron electrodos en estructuras hechas de metamateriales, que son materiales divididos en una cuadrícula de células repetidas. También crearon un software de edición que ayuda a los usuarios a construir estos dispositivos interactivos.

“Los metamateriales pueden soportar diferentes funcionalidades mecánicas. Pero si creamos una manija de puerta de metamaterial, ¿podemos saber también que la manija de la puerta está girando y, de ser así, en cuántos grados? Si tiene requisitos especiales de detección, nuestro trabajo le permite personalizar un mecanismo para satisfacer sus necesidades ”, dice el coautor principal Jun Gong, ex estudiante de doctorado visitante en el MIT y ahora investigador científico en Apple.

Gong escribió el artículo junto con sus colegas autores principales, Olivia Seow, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT, y Cedric Honnet, asistente de investigación en el MIT Media Lab. Otros coautores son el estudiante graduado del MIT Jack Forman y la autora principal Stefanie Mueller, profesora asociada en EECS y miembro del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL). La investigación se presentará en el Simposio de la Asociación de Maquinaria de Computación sobre Software y Tecnología de Interfaz de Usuario el próximo mes.

“Lo que encuentro más emocionante del proyecto es la capacidad de integrar la detección directamente en la estructura material de los objetos. Esto permitirá nuevos entornos inteligentes en los que nuestros objetos puedan sentir cada interacción con ellos ”, dice Mueller. “Por ejemplo, una silla o sofá fabricado con nuestro material inteligente podría detectar el cuerpo del usuario cuando el usuario se sienta en él y usarlo para consultar funciones particulares (como encender la luz o el televisor) o para recopilar datos para un análisis posterior ( como detectar y corregir la postura corporal) «.

Electrodos empotrados

Debido a que los metamateriales están hechos de una cuadrícula de celdas, cuando el usuario aplica fuerza a un objeto metamaterial, algunas de las celdas interiores flexibles se estiran o comprimen.

Los investigadores aprovecharon esto para crear «células de cizallamiento conductoras», células flexibles que tienen dos paredes opuestas hechas de filamento conductor y dos paredes hechas de filamento no conductor. Las paredes conductoras funcionan como electrodos.

Cuando un usuario aplica fuerza al mecanismo de metamaterial, moviendo un joystick o presionando los botones de un controlador, las células de corte conductoras se estiran o comprimen, y la distancia y el área de superposición entre los electrodos opuestos cambia. Mediante la detección capacitiva, esos cambios se pueden medir y utilizar para calcular la magnitud y la dirección de las fuerzas aplicadas, así como la rotación y la aceleración.

Para demostrar esto, los investigadores crearon un joystick de metamaterial con cuatro células de corte conductoras incrustadas alrededor de la base del mango en cada dirección (arriba, abajo, izquierda y derecha). A medida que el usuario mueve el mango del joystick, la distancia y el área entre las paredes conductoras opuestas cambian, por lo que se puede detectar la dirección y la magnitud de cada fuerza aplicada. En este caso, esos valores se convirtieron en entradas para un juego «PAC-MAN».

dispositivo sensor
Este dispositivo de entrada flexible ha sido impreso en 3D en una sola pieza con electrodos sensores de color cobre integrados en su estructura.


Al comprender cómo los usuarios de joystick aplican las fuerzas, un diseñador podría crear un prototipo de formas y tamaños de mangos únicos para personas con una fuerza de agarre limitada en ciertas direcciones.

Los investigadores también crearon un controlador de música diseñado para adaptarse a la mano del usuario. Cuando el usuario presiona uno de los botones flexibles, las células de corte conductivo dentro de la estructura se comprimen y la entrada detectada se envía a un sintetizador digital.

detección de compresión
Los electrodos sensores capacitivos de color cobre integrados en este mecanismo de metamaterial impreso en 3D se utilizan para detectar la compresión.

Este método podría permitir a un diseñador crear y ajustar rápidamente dispositivos de entrada flexibles y únicos para una computadora, como un controlador de volumen comprimible o un lápiz óptico flexible.

Una solución de software

MetaSense, el editor 3D que desarrollaron los investigadores, permite esta rápida creación de prototipos. Los usuarios pueden integrar manualmente la detección en un diseño de metamaterial o dejar que el software coloque automáticamente las células de corte conductoras en ubicaciones óptimas.

“La herramienta simulará cómo se deformará el objeto cuando se apliquen diferentes fuerzas, y luego usará esta deformación simulada para calcular qué celdas tienen el máximo cambio de distancia. Las células que más cambian son las candidatas óptimas para ser células de cizallamiento conductoras ”, dice Gong.

Los investigadores se esforzaron por hacer MetaSense sencillo, pero existen desafíos para imprimir estructuras tan complejas.

“En una impresora 3D multimaterial, se usaría una boquilla para filamento no conductor y una boquilla para filamento conductor. Pero es bastante complicado porque los dos materiales pueden tener propiedades muy diferentes. Requiere mucho ajuste de parámetros para establecer la velocidad, temperatura, etc. ideales. Pero creemos que, a medida que la tecnología de impresión 3D continúe mejorando, esto será mucho más fácil para los usuarios en el futuro ”, dice.

En el futuro, a los investigadores les gustaría mejorar los algoritmos detrás de MetaSense para permitir simulaciones más sofisticadas.

También esperan crear mecanismos con muchas más células de cizallamiento conductoras. Incrustar cientos o miles de células de corte conductivo dentro de un mecanismo muy grande podría permitir visualizaciones de alta resolución en tiempo real de cómo un usuario está interactuando con un objeto, dice Gong.

Esta investigación cuenta con el apoyo de la National Science Foundation.

«Reimpreso con permiso de MIT News»


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