Revolutionäre 3D-gedruckte Sensoren detektieren Nutzerinteraktion in Echtzeit

Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Mechanismen zu 3D-drucken, die erfassen, wie Kraft auf ein Objekt angewendet wird. Die Strukturen bestehen aus einem einzigen Stück Material, sodass sie schnell prototypisiert werden können. Ein Designer könnte diese Methode nutzen, um interaktive Eingabegeräte wie einen Joystick, Schalter oder Handheld-Controller in einem Druckdurchgang zu 3D-drucken.

Um dies zu erreichen, integrierten die Forscher Elektroden in Strukturen aus Metamaterialien – Materialien, die in ein Gitter sich wiederholender Zellen unterteilt sind. Sie erstellten auch Bearbeitungssoftware, die Nutzer beim Bau dieser interaktiven Geräte unterstützt.

Sensing kann direkt in die Materialstruktur von Objekten integriert werden, was intelligente Umgebungen ermöglicht, in denen Objekte jede Interaktion mit ihnen erfassen können. Beispielsweise könnte ein Stuhl oder Sofa aus dem smarten Material den Körper des Nutzers detektieren, wenn dieser sich darauf setzt, und dies entweder nutzen, um bestimmte Funktionen abzufragen (wie Licht oder TV einschalten) oder Daten für spätere Analyse zu sammeln (wie Erkennen und Korrigieren der Körperhaltung).

Da Metamaterialien aus einem Gitter von Zellen bestehen, dehnen oder komprimieren sich einige der flexiblen inneren Zellen, wenn der Nutzer Kraft auf ein Metamaterial-Objekt anwendet. Die Forscher nutzten dies, indem sie „leitende Scherzellen“ (conductive shear cells) erstellten – flexible Zellen, die zwei gegenüberliegende Wände aus leitendem Filament und zwei Wände aus nicht-leitendem Filament haben. Die leitenden Wände fungieren als Elektroden.

Wenn ein Nutzer Kraft auf den Metamaterial-Mechanismus anwendet – einen Joystick-Griff bewegt oder Tasten an einem Controller drückt – dehnen oder komprimieren sich die leitenden Scherzellen, und der Abstand und Überlappungsbereich zwischen den gegenüberliegenden Elektroden ändert sich. Mittels kapazitivem Sensing können diese Änderungen gemessen und genutzt werden, um Magnitude und Richtung der angewendeten Kräfte sowie Rotation und Beschleunigung zu berechnen. Durch Verständnis, wie Joystick-Nutzer Kräfte anwenden, könnte ein Designer einzigartige Griff Formen und Größen für Menschen mit begrenzter Greifkraft in bestimmten Richtungen prototypisieren.

Ein Designer könnte schnell einzigartige, flexible Eingabegeräte für einen Computer erstellen und anpassen, wie einen zusammendrückbaren Lautstärkeregler oder biegbaren Stift. Meta-Sense, der 3D-Editor, den die Forscher entwickelten, ermöglicht dieses Rapid Prototyping. Nutzer können Sensing manuell in ein Metamaterial-Design integrieren oder die Software die leitenden Scherzellen automatisch an optimalen Positionen platzieren lassen.

Das Tool simuliert, wie das Objekt deformiert wird, wenn verschiedene Kräfte angewendet werden, und nutzt diese simulierte Deformation, um zu berechnen, welche Zellen die maximale Distanzänderung haben. Die Zellen, die sich am meisten ändern, sind die optimalen Kandidaten für leitende Scherzellen.