研究

麻省理工学院的研究人员开发了一种新的动作感应3D打印超材料

研究人员麻省理工学院(麻省理工学院)开发了一种3D打印对象的新方法,可以感知用户交互。

这里的新奇之处在于,这些物体是用单片材料(更准确地说,是超材料)3D打印出来的,电极传感器集成到材料结构本身。因此,打印的结构能够检测各种状态的变化,包括施加的力和旋转。

该团队认为,这种方法可以应用于许多自定义输入设备,如操纵杆、开关和手持控制器。更进一步,这种传感超材料甚至可以被整合到更复杂的智能环境中,比如一个能够检测用户身体的沙发,它可能会收集数据,用于以后的姿势校正分析。某些动作甚至可以映射到诸如开灯或开电视等功能。

该研究的主要作者之一龚军说:“超材料可以支持不同的机械功能。但如果我们创造一个超材料门把手,我们是否也能知道门把手被旋转了,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个机制来满足你的需求。”

铜色电容感应电极集成在3D打印的超材料机制中,用于感知压缩。通过麻省理工学院的GIF。
铜色电容感应电极集成在3D打印的超材料机制中,用于感知压缩。通过麻省理工学院的GIF。

3D打印的超材料是如何工作的?

麻省理工学院的超材料是由重复细胞组成的网格,其中大多数是灵活的,这意味着它们可以扩展和压缩。它也包含“导电剪切细胞”,它有两个相反的壁由导电丝和两个壁由不导电丝组成。导电壁充当传感电极。

当对结构施加力时,导电剪切单元膨胀或压缩,从而改变导电壁之间的距离。使用电容传感,可以测量这些距离变化,并将其映射到特定的力、方向、旋转和加速度。例如,操纵手柄的移动(以及随后的弯曲)可能映射到左、右、上和下。

产品设计师可以将这一想法扩展到为行动能力或握力有限的人设计一个定制操纵杆形状的原型,或者创建一个独特的灵活的音乐控制器,并将其连接到数字合成器上。由于这种超材料是为3D打印设计的,快速设计迭代也很容易产生,大大简化了开发周期。

这种超材料由一排排重复的电池组成,导电壁充当电极。通过麻省理工学院的照片。
这种超材料由一排排重复的电池组成,导电壁充当电极。通过麻省理工学院的照片。

MetaSense,一个3D编辑器

为了补充3D打印方法,麻省理工学院的团队还开发了一种名为MetaSense的特制3D编辑器。作为超材料的CAD软件,MetaSense允许用户手动放置导电剪切单元,或自动将传感集成到设计的最佳位置。

Gong解释说:“该工具将模拟物体在施加不同力时的变形情况,然后使用这种模拟变形来计算哪些单元格的距离变化最大。变化最大的细胞是导电剪切细胞的最佳候选细胞。”

虽然MetaSense的设计尽可能简单,但超材料的复杂本质需要大量参数调整才能完成成功的构建。Gong的团队计划继续改进软件的算法,以实现更复杂的模拟,使具有数百或数千个导电剪切细胞的设备更加方便。

这项研究的更多细节可以在题为MetaSense:将传感能力集成到机械超材料中’. 该书由龚军、斯蒂芬妮·米勒等合著。

增材制造广泛的材料兼容性使其非常适合传感器设备的应用。今年夏天早些时候,来自韩国的科学家大邱庆北科学技术研究院(DGIST)开发低成本多向压力传感器使用3D打印的导电聚合物复合材料作为他们的积木。该传感器的设计旨在克服目前3D打印传感器的局限性,包括只能沿着单个方向感知施加的力。

在其他地方,亚洲的科学家最近合作开发了一套新颖的3D打印传感器,可以用作未来“智能床”的基础.利用FDM 3D打印机和PLA,研究人员成功生产出基于光纤布拉格光栅(FBG)的压力传感器,能够高度准确地跟踪人们的睡眠模式。

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特色图像显示3D打印的超材料。通过麻省理工学院的照片。