3D-gedruckte Objekte erkennen, wie ein Benutzer mit ihnen interagiert

Forscher haben eine neue Methode für 3D-Druckmechanismen entwickelt, die erkennen, wie Kraft auf ein Objekt ausgeübt wird. Die Strukturen bestehen aus einem einzigen Materialstück, sodass sie schnell prototypisiert werden können. Ein Designer könnte diese Methode verwenden, um interaktive Eingabegeräte wie Joysticks, Schalter oder Handheld-Controller in einem Durchgang in 3D zu drucken.

Um dies zu erreichen, integrierten die Forscher Elektroden in Strukturen aus Metamaterialien, bei denen es sich um Materialien handelt, die in ein Gitter aus sich wiederholenden Zellen unterteilt sind. Sie haben auch Bearbeitungssoftware entwickelt, die Benutzern hilft, diese interaktiven Geräte zu bauen.

Die Sensorik kann direkt in die Materialstruktur von Objekten integriert werden, was intelligente Umgebungen ermöglicht, in denen Objekte jede Interaktion mit ihnen wahrnehmen können. So könnte beispielsweise ein Stuhl oder eine Couch aus dem smarten Material den Körper des Nutzers erkennen, wenn der Nutzer darauf sitzt, und damit entweder bestimmte Funktionen abfragen (z. B. Licht oder Fernseher einschalten) oder Daten für spätere Analysen sammeln (z Erkennen und Korrigieren der Körperhaltung).

Da Metamaterialien aus einem Gitter von Zellen bestehen, dehnen oder komprimieren sich einige der flexiblen inneren Zellen, wenn der Benutzer Kraft auf ein Metamaterialobjekt ausübt. Die Forscher machten sich dies zunutze, indem sie „leitfähige Scherzellen“ schufen – flexible Zellen, die zwei gegenüberliegende Wände aus leitfähigem Filament und zwei Wände aus nicht leitfähigem Filament haben. Die leitfähigen Wände fungieren als Elektroden.

Wenn ein Benutzer Kraft auf den Metamaterialmechanismus ausübt – einen Joystick-Griff bewegt oder die Tasten auf einem Controller drückt – dehnen oder komprimieren sich die leitenden Scherzellen und der Abstand und der Überlappungsbereich zwischen den gegenüberliegenden Elektroden ändern sich. Mithilfe der kapazitiven Erfassung können diese Änderungen gemessen und zur Berechnung der Größe und Richtung der aufgebrachten Kräfte sowie der Rotation und Beschleunigung verwendet werden. Durch das Verständnis, wie Joystick-Benutzer Kräfte aufbringen, könnte ein Designer einzigartige Griffformen und -größen für Menschen mit begrenzter Griffkraft in bestimmten Richtungen prototypisieren.

Ein Designer könnte schnell einzigartige, flexible Eingabegeräte für einen Computer erstellen und optimieren, wie z. B. einen zusammendrückbaren Lautstärkeregler oder einen biegsamen Stift. Meta-Sense, der von den Forschern entwickelte 3D-Editor, ermöglicht dieses schnelle Prototyping. Benutzer können die Sensorik manuell in ein Metamaterialdesign integrieren oder die Software die leitfähigen Scherzellen automatisch an optimalen Stellen platzieren lassen.

Das Werkzeug simuliert, wie sich das Objekt verformt, wenn unterschiedliche Kräfte angewendet werden, und verwendet dann diese simulierte Verformung, um zu berechnen, welche Zellen die maximale Abstandsänderung aufweisen. Die Zellen, die sich am stärksten verändern, sind die optimalen Kandidaten für leitfähige Scherzellen.