麻省理工学院的研究人员开发了一种方法，将传感能力集成到由虚拟细胞组成的3D可打印结构中，这使设计人员能够快速制作交互式输入设备的原型。信用:麻省理工学院的研究人员开发了一种新的方法来3D打印机制，检测力是如何施加到物体上的。这些结构是由单一材料制成的，因此可以快速原型化。设计者可以使用这种方法一次性3D打印“交互式输入设备”，如操纵杆、开关或手持控制器。为了实现这一点，研究人员将电极集成到由超材料制成的结构中，超材料是被分成重复单元网格的材料。他们还开发了编辑软件，帮助用户构建这些交互设备。
“超材料可以支持不同的机械功能。但是如果我们创造一个超材料门把手，我们还能知道门把手在旋转吗，如果是，旋转了多少度？如果你有特殊的传感需求，我们的工作可以让你定制一种机制来满足你的需求，”合著者龚俊说，他曾是麻省理工学院的客座博士生，现在是苹果公司的研究科学家。
龚和合著者Olivia Seow(麻省理工学院电子工程与计算机科学系分校的研究生)以及麻省理工学院媒体实验室的研究助理Cedric Honnet一起撰写了这篇论文。其他合著者包括麻省理工学院研究生杰克·福尔曼和资深作者斯蒂芬妮·穆勒，他是EECS的副教授，也是计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的成员。这项研究将在下个月的计算机器协会用户界面软件和技术研讨会上发表。
“我发现该项目最令人兴奋的是能够将传感直接集成到物体的材料结构中。穆勒说:“这将创造新的智能环境，让我们的物体能够感知与它们的每一次互动。例如，由我们的智能材料制成的椅子或沙发可以在用户坐在上面时检测用户的身体，并使用它来查询特定功能(如打开灯或电视)或收集数据以供以后分析(如检测和纠正身体姿势)
嵌入式电极
因为超材料是由网格单元构成的，所以当用户向超材料物体施加力时，一些柔性的内部单元会拉伸或压缩。
研究人员利用了这一点，创造了“导电剪切单元”，这种柔性单元有两个由导电细丝制成的相对壁和两个由非导电细丝制成的壁。导电壁起到电极的作用。
当用户向超材料机构施力时(移动操纵杆手柄或按下控制器上的按钮)，导电剪切单元会被蚀刻或压缩，相对电极之间的距离和重叠区域也会发生变化。使用电容传感，可以测量这些变化，并用于计算作用力的大小和方向，以及旋转和加速度。
为了证明这一点，研究人员创建了一个超材料操纵杆，在手柄底部的四个方向(上、下、左、右)嵌入了四个导电剪切单元。当用户移动操纵杆手柄时，相对的导电壁之间的距离和面积发生变化，因此可以感测每个作用力的方向和大小。在这种情况下，这些值被转换为“吃豆人”游戏的输入。
通过了解操纵杆用户如何施力，设计师可以为某些方向上握力有限的人设计独特的手柄形状和尺寸。
研究人员还创造了一种音乐控制器，设计成符合用户的手。当用户按下其中一个柔性按钮时，结构内的导电剪切单元被压缩，感测到的输入被发送到数字合成器。
这种方法可以使设计者快速地为计算机创建和调整独特的、灵活的输入设备，如可挤压的音量控制器或可弯曲的触笔。
软件解决方案
研究人员开发的3D编辑器MetaSense实现了这种快速原型制作。用户可以手动将传感集成到超材料设计中，或者让软件自动将导电剪切单元放置在最佳位置。
“该工具将模拟当施加不同的力时对象将如何变形，然后使用这个模拟的变形来计算哪些像元的距离变化最大。变化最大的细胞是导电剪切细胞的最佳候选者，”龚说。
研究人员试图让MetaSense变得简单，但是打印如此复杂的结构存在挑战。
“在多材料3D打印机中，一个喷嘴用于非导电细丝，一个喷嘴用于导电细丝。但是这很棘手，因为这两种物质可能有非常不同的性质。为了达到理想的速度、温度等，需要进行大量的参数调整。但我们相信，随着3D打印技术的不断进步，这在未来对用户来说会容易得多，”他说。
未来，研究人员希望改进MetaSense背后的算法，以实现更复杂的模拟。
他们还希望用更多的传导剪切单元创造机制。龚说，在一个非常大的机构中嵌入数百或数千个导电剪切单元，可以实现用户如何与物体交互的高分辨率、实时可视化。
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