Os pesquisadores do MIT desenvolveram um novo manãtodo para mecanismos de impressão 3D que detectam como a força estãosendo aplicada a um objeto. As estruturas são feitas de uma única pea§a de material, para que possam ser prototipadas rapidamente. Um designer poderia usar esse manãtodo para imprimir em 3D “dispositivos de entrada interativos”, como um joystick, switch ou controlador de ma£o, de uma são vez.

Para conseguir isso, os pesquisadores integraram eletrodos em estruturas feitas de metamateriais, que são materiais divididos em uma grade de células repetidas. Eles também criaram um software de edição que ajuda os usuários a construir esses dispositivos interativos.

“Metamateriais podem suportar diferentes funcionalidades meca¢nicas. Mas, se criarmos uma maa§aneta de metamaterial, também podemos saber se a maa§aneta da porta estãosendo girada e, em caso afirmativo, em quantos graus? Se vocêtiver requisitos especiais de detecção, nosso trabalho permite que vocêpersonalize um mecanismo para atender a s suas necessidades ”, diz o coautor Jun Gong, um ex-aluno de PhD visitante no MIT que agora éum cientista pesquisador da Apple.

Gong escreveu o artigo ao lado de seus colegas autores Olivia Seow, uma estudante de pós-graduação no Departamento de Engenharia Elanãtrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT, e Cedric Honnet, um assistente de pesquisa no Laborata³rio de Ma­dia do MIT. Outros coautores são o estudante de graduação do MIT Jack Forman e a autora saªnior Stefanie Mueller, que éprofessora associada do EECS e membro do Laborata³rio de Ciência da Computação e Inteligaªncia Artificial (CSAIL). A pesquisa seráapresentada no Simpa³sio Association for Computing Machinery on User Interface Software and Technology no pra³ximo maªs.

“O que acho mais empolgante no projeto éa capacidade de integrar o sensoriamento diretamente na estrutura material dos objetos. Isso permitira¡ novos ambientes inteligentes nos quais nossos objetos podem sentir cada interação com eles ”, diz Mueller. “Por exemplo, uma cadeira ou sofa¡ feito de nosso material inteligente pode detectar o corpo do usua¡rio quando ele se senta e usa¡-lo para consultar funções especa­ficas (como ligar a luz ou a TV) ou coletar dados para análise posterior ( como detectar e corrigir a postura corporal). ”

Como os metamateriais são feitos de uma grade de células, quando o usua¡rio aplica força a um objeto de metamaterial, algumas das células interiores flexa­veis se esticam ou comprimem.

Os pesquisadores aproveitaram isso criando “células de cisalhamento condutoras”, células flexa­veis que tem duas paredes opostas feitas de filamento condutor e duas paredes feitas de filamento não condutor. As paredes condutoras funcionam como eletrodos.

Quando um usua¡rio aplica força ao mecanismo de metamaterial - movendo uma ala§a de joystick ou pressionando os botaµes em um controlador - as células de cisalhamento condutor se esticam ou comprimem, e a distância e a área de sobreposição entre os eletrodos opostos mudam. Usando a detecção capacitiva, essasmudanças podem ser medidas e usadas para calcular a magnitude e a direção das forças aplicadas, bem como a rotação e a aceleração.

Para demonstrar isso, os pesquisadores criaram um joystick de metamaterial com quatro células de cisalhamento condutoras embutidas em torno da base da ala§a em cada direção (para cima, para baixo, para a esquerda e para a direita). Conforme o usua¡rio move a ala§a do joystick, a distância e a área entre as paredes condutoras opostas mudam, de modo que a direção e a magnitude de cada força aplicada podem ser detectadas. Nesse caso, esses valores foram convertidos em entradas para um jogo “PAC-MAN”.

Ao compreender como os usuários de joystick aplicam as forças, um projetista poderia criar um prota³tipo de formas e tamanhos exclusivos de ala§as para pessoas com força de preensão limitada em certas direções.

Os pesquisadores também criaram um controlador de música projetado para se ajustar a  ma£o do usua¡rio. Quando o usua¡rio pressiona um dos botaµes flexa­veis, as células de cisalhamento condutivas dentro da estrutura são comprimidas e a entrada detectada éenviada para um sintetizador digital.

Este manãtodo pode permitir que um designer crie e ajuste rapidamente dispositivos de entrada flexa­veis e exclusivos para um computador, como um controlador de volume comprima­vel ou caneta dobra¡vel.

MetaSense, o editor 3D desenvolvido pelos pesquisadores, permite essa prototipagem rápida. Os usuários podem integrar manualmente a detecção em um projeto de metamaterial ou deixar que o software coloque automaticamente as células de cisalhamento condutoras em locais ideais.

“A ferramenta simulara¡ como o objeto serádeformado quando diferentes forças forem aplicadas e, em seguida, usara¡ essa deformação simulada para calcular quais células tem a mudança de distância máxima. As células que mais mudam são as candidatas ideais para serem células de cisalhamento condutoras ”, diz Gong.

Os pesquisadores se esforçaram para tornar o MetaSense simples, mas existem desafios para imprimir tais estruturas complexas.

“Em uma impressora 3D multimaterial, um bico seria usado para filamento não condutor e um bico seria usado para filamento condutor. Mas ébastante complicado porque os dois materiais podem ter propriedades muito diferentes. Requer muitos ajustes de parametros para definir a velocidade, temperatura ideal, etc. Mas acreditamos que, a  medida que a tecnologia de impressão 3D continua a melhorar, isso serámuito mais fa¡cil para os usuários no futuro ”, diz ele.

No futuro, os pesquisadores gostariam de melhorar os algoritmos por trás do MetaSense para permitir simulações mais sofisticadas.

Eles também esperam criar mecanismos com muito mais células de cisalhamento condutoras. Incorporar centenas ou milhares de células de cisalhamento condutoras em um mecanismo muito grande pode permitir visualizações em tempo real de alta resolução de como um usua¡rio estãointeragindo com um objeto, diz Gong.

Esta pesquisa éapoiada pela National Science Foundation.