Tecnologia Científica

Os engenheiros criam objetos impressos em 3D que percebem como o usuário está interagindo com eles
O Advance incorpora a detecção diretamente no material de um objeto, com aplicações para tecnologia assistiva e móveis “inteligentes”.
Por Adam Zewe - 18/09/2021


Pesquisadores do MIT desenvolveram um método para integrar recursos de detecção em estruturas imprimíveis 3D compostas de células repetitivas, que permitem aos designers criar rapidamente protótipos de dispositivos de entrada interativos. Créditos: Cortesia dos pesquisadores

Os pesquisadores do MIT desenvolveram um novo método para mecanismos de impressão 3D que detectam como a força está sendo aplicada a um objeto. As estruturas são feitas de uma única peça de material, para que possam ser prototipadas rapidamente. Um designer poderia usar esse método para imprimir em 3D “dispositivos de entrada interativos”, como um joystick, switch ou controlador de mão, de uma só 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 mecânicas. Mas, se criarmos uma maçaneta de metamaterial, também podemos saber se a maçaneta da porta está sendo girada e, em caso afirmativo, em quantos graus? Se você tiver requisitos especiais de detecção, nosso trabalho permite que você personalize um mecanismo para atender às suas necessidades ”, diz o coautor Jun Gong, um ex-aluno de PhD visitante no MIT que agora é um 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 Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT, e Cedric Honnet, um assistente de pesquisa no Laboratório de Mídia do MIT. Outros coautores são o estudante de graduação do MIT Jack Forman e a autora sênior Stefanie Mueller, que é professora associada do EECS e membro do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL). A pesquisa será apresentada no Simpósio Association for Computing Machinery on User Interface Software and Technology no próximo mês.

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

Eletrodos embutidos

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

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

Quando um usuário aplica força ao mecanismo de metamaterial - movendo uma alça de joystick ou pressionando os botões 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, essas mudanças 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 alça em cada direção (para cima, para baixo, para a esquerda e para a direita). Conforme o usuário move a alça 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 protótipo de formas e tamanhos exclusivos de alças para pessoas com força de preensão limitada em certas direções.

Os pesquisadores também criaram um controlador de música projetado para se ajustar à mão do usuário. Quando o usuário pressiona um dos botões flexíveis, as células de cisalhamento condutivas dentro da estrutura são comprimidas e a entrada detectada é enviada para um sintetizador digital.

Este método pode permitir que um designer crie e ajuste rapidamente dispositivos de entrada flexíveis e exclusivos para um computador, como um controlador de volume comprimível ou caneta dobrável.

Uma solução de software

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 simulará como o objeto será deformado quando diferentes forças forem aplicadas e, em seguida, usará essa deformação simulada para calcular quais células têm 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 é bastante complicado porque os dois materiais podem ter propriedades muito diferentes. Requer muitos ajustes de parâmetros para definir a velocidade, temperatura ideal, etc. Mas acreditamos que, à medida que a tecnologia de impressão 3D continua a melhorar, isso será muito mais fácil 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 usuário está interagindo com um objeto, diz Gong.

Esta pesquisa é apoiada pela National Science Foundation.

 

.
.

Leia mais a seguir