MIT研究人員開發(fā)新型運(yùn)動(dòng)感應(yīng)3D打印超材料

導(dǎo)讀：麻省理工學(xué)院（MIT）研究人員利用3D打印開發(fā)出了一種可以感知用戶交互的新方法。通過3D打印超材料并集成電極傳感器，打印結(jié)構(gòu)能夠檢測(cè)各種狀態(tài)變化，包括施加的力和旋轉(zhuǎn)。

麻省理工學(xué)院的超材料結(jié)構(gòu)由重復(fù)細(xì)胞的網(wǎng)格組成，其中大部分是柔性的，可以伸展和壓縮。它還包含“導(dǎo)電剪切單元”，有兩個(gè)由導(dǎo)電細(xì)絲制成的相對(duì)壁和兩個(gè)由非導(dǎo)電細(xì)絲制成的壁。導(dǎo)電壁充當(dāng)感應(yīng)電極。當(dāng)外力施加在結(jié)構(gòu)上時(shí)，導(dǎo)電剪切單元膨脹或壓縮，從而改變導(dǎo)電壁之間的距離。利用電容傳感器，研究人員可以測(cè)量這些距離變化，并計(jì)算所施加力的大小、方向、旋轉(zhuǎn)和加速度。例如，操縱桿手柄上、下、左、右移動(dòng)（以及隨后的彎曲）。

△3D打印超材料機(jī)制中的銅色電容感應(yīng)電極用于感應(yīng)壓縮。

為了證明這一點(diǎn)，研究人員制造了一個(gè)超材料操縱桿，在手柄底部的每個(gè)方向（上、下、左和右）嵌入了四個(gè)導(dǎo)電剪切單元。當(dāng)用戶移動(dòng)操縱桿手柄時(shí)，相對(duì)的導(dǎo)電壁之間的距離和面積會(huì)發(fā)生變化，因此可以感應(yīng)到每個(gè)施加的力的方向和大小。通過了解用戶如何將力施加在操縱桿上，設(shè)計(jì)師可以為握力有限的人設(shè)計(jì)獨(dú)特的手柄形狀和尺寸。

△超材料由多排重復(fù)的單元組成，導(dǎo)電壁充當(dāng)電極。照片來自麻省理工學(xué)院

研究人員還制造了一個(gè)音樂控制器，旨在收集用戶的手部施力數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶按下其中一個(gè)柔性按鈕時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電剪切單元被壓縮，感測(cè)到的輸入信號(hào)會(huì)被發(fā)送到數(shù)字合成器。這種方法可以讓設(shè)計(jì)人員快速創(chuàng)建和調(diào)整獨(dú)特、靈活的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，例如可擠壓的音量控制器或可彎曲的手寫筆。

△音樂控制手柄

為了擴(kuò)充3D打印方法，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種名為MetaSense的3D專用編輯器。MetaSense作為超材料CAD軟件允許用戶手動(dòng)放置導(dǎo)電剪切單元或自動(dòng)將傳感集成到最佳位置設(shè)計(jì)中。雖然研究團(tuán)隊(duì)聲稱已經(jīng)盡可能將MetaSense設(shè)計(jì)得簡單、易操作，但超材料的復(fù)雜性仍需要大量的參數(shù)調(diào)整才能成功構(gòu)建。團(tuán)隊(duì)試圖不斷改進(jìn)軟件算法，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的模擬，制造具有數(shù)百或數(shù)千個(gè)導(dǎo)電剪切單元設(shè)備。

△Metasense操縱桿顯示在 (a) 原始狀態(tài)和 (b,c) 用戶交互期間的變形狀態(tài)，并相應(yīng)地檢測(cè)到導(dǎo)電剪切單元的電容變化。

參考文獻(xiàn)：Gong, J. MetaSense: IntegratingSensing Capabilities into Mechanical Metamaterial.. Retrieved fromhttps://par.nsf.gov/biblio/10283486. ACM Conference on User Interface Softwareand Technology .

文獻(xiàn)地址：https://honnet.github.io/publications/UIST21-MetaSense.pdf

項(xiàng)目地址：https://www.media.mit.edu/projects/metasense/overview/