3D打印的超材料機械裝置：可感知用戶如何與其交互！

超材料( Metamaterial)，其拉丁語詞根＂meta-＂表示“超出等含義，是指一類具有人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理特性(如負磁導(dǎo)率、負介電常數(shù)、負折射率等)的復(fù)合材料。

△超材料的近距離照片(圖片來源: Timothy Sleasman)

有時，超材料也被稱為不可能的材料。理論上講它們可以彎曲物體周圍的能量使其不可見，或者將傳輸?shù)哪芰考�中到聚焦光束中，或者具有變色龍般的能力來重新配置能量在不同頻率范圍的的吸收或傳輸。

△哈佛大學(xué)約翰保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的科學(xué)家團隊開發(fā)出了首個可以聚焦整個可見光光譜(包括白光)的單鏡頭，該鏡頭能將光線聚焦到同一個點，并可以達到高分率。在傳統(tǒng)的鏡頭中，只有加多個鏡頭才能實現(xiàn)這種效果。(圖片來源 Jared Sisler/ Harvard SEAS)

2021年9月19日，南極熊獲悉，來自麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新的3D打印方法，該方法可以檢測力是如何施加到物體上的。這些結(jié)構(gòu)是由一塊材料制成的，因此它們可以快速原型化。設(shè)計師可以使用這種方法一次性3D打印“交互式輸入設(shè)備”，如操縱桿、開關(guān)或手持控制器。

為了實現(xiàn)這一點，研究人員將電極集成到由超材料制成的結(jié)構(gòu)中，超材料是劃分為重復(fù)細胞網(wǎng)格的材料。他們還創(chuàng)建了編輯軟件，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械功能。但是，如果我們創(chuàng)建了超材料門把手，我們還可以知道門把手正在旋轉(zhuǎn)嗎？如果是，旋轉(zhuǎn)了多少度？如果您有特殊的傳感要求，我們的工作可以讓您定制一種機制來滿足您的需要，”聯(lián)合首席作者龔軍說，前訪問博士。麻省理工學(xué)院的學(xué)生，現(xiàn)在是蘋果公司的研究科學(xué)家。

龔與其他主要作者、麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機科學(xué)系（EECS）研究生奧利維亞·塞奧（Olivia Seow）和麻省理工學(xué)院媒體實驗室研究助理塞德里克·霍內(nèi)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)院研究生杰克·福曼（Jack Forman）和資深作家斯蒂芬妮·米勒（Stefanie Mueller），世衛(wèi)組織是EECS副教授和計算機科學(xué)與人工智能實驗室（CSAIL）成員。這項研究將在下月舉行的計算機協(xié)會用戶界面軟件和技術(shù)研討會上發(fā)表。

穆勒說：“我發(fā)現(xiàn)該項目最令人興奮的是能夠?qū)⒏兄�直接集成到物體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)中。這將創(chuàng)造新的智能環(huán)境，讓我們的物體能夠感知與它們的每一次交互�！�。“例如，當(dāng)用戶坐在由我們的智能材料制成的椅子或沙發(fā)上時，它可以檢測到用戶的身體，并使用它來查詢特定功能（如打開燈或電視），或收集數(shù)據(jù)供以后分析（如檢測和糾正身體姿勢）。”

嵌入式電極

因為超材料是由網(wǎng)格單元構(gòu)成的，所以當(dāng)用戶對超材料對象施加力時，一些靈活的內(nèi)部單元會拉伸或壓縮。

研究人員利用這一優(yōu)勢，創(chuàng)造了“導(dǎo)電剪切細胞”，即具有兩個由導(dǎo)電絲制成的相對壁和兩個由非導(dǎo)電絲制成的壁的柔性細胞。導(dǎo)電壁起著電極的作用。

當(dāng)用戶通過移動操縱手柄或按下控制器上的按鈕向超材料機構(gòu)施力時，導(dǎo)電剪切單元會拉伸或壓縮，相對電極之間的距離和重疊區(qū)域會發(fā)生變化。使用電容傳感，可以測量這些變化，并用于計算施加力的大小和方向，以及旋轉(zhuǎn)和加速度。

為了證明這一點，研究人員創(chuàng)建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(dǎo)電剪切單元。當(dāng)用戶移動操縱手柄時，相對的導(dǎo)電壁之間的距離和面積會發(fā)生變化，因此可以感應(yīng)到每個作用力的方向和大小。在本例中，這些值被轉(zhuǎn)換為“吃豆人”游戲的輸入。

通過了解操縱桿用戶如何施加力，設(shè)計師可以為在特定方向握力有限的人制作獨特的手柄形狀和尺寸原型。

研究人員還發(fā)明了一種音樂控制器，其設(shè)計符合用戶的手。當(dāng)用戶按下其中一個柔性按鈕時，結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電剪切單元被壓縮，感測的輸入被發(fā)送到數(shù)字合成器。

這種方法可以使設(shè)計師快速創(chuàng)建和調(diào)整獨特的、靈活的計算機輸入設(shè)備，如可壓縮音量控制器或可彎曲的手寫筆。

軟件解決方案

研究人員開發(fā)的三維編輯器MetaSense實現(xiàn)了這種快速原型制作。用戶可以手動將傳感集成到超材料設(shè)計中，或者讓軟件自動將導(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如何變形，然后利用模擬的變形來計算哪些細胞的距離變化最大。變化最大的細胞是導(dǎo)電剪切細胞的最佳候選者，”龔說。

研究人員努力使元意義變得簡單明了，但打印這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)還是有挑戰(zhàn)的。

“在多材料3D打印機中，一個噴嘴將用于非導(dǎo)電燈絲，一個噴嘴將用于導(dǎo)電燈絲。但這是相當(dāng)棘手的，因為這兩種材料可能具有非常不同的特性。需要進行大量參數(shù)調(diào)整以確定理想的速度、溫度等。但我們相信，作為3D打印技術(shù)nology繼續(xù)變得更好，這將在未來對用戶更容易，”他說。

未來，研究人員希望改進MetaSense背后的算法，以實現(xiàn)更復(fù)雜的模擬。他們還希望創(chuàng)造更多導(dǎo)電剪切細胞的機制。龔說，在一個非常大的機械裝置中嵌入數(shù)百或數(shù)千個導(dǎo)電剪切單元可以實現(xiàn)用戶如何與物體交互的高分辨率實時可視化。