MIT研究人員開發(fā)新型運動感應3D打印超材料

導讀：麻省理工學院（MIT）研究人員利用3D打印開發(fā)出了一種可以感知用戶交互的新方法。通過3D打印超材料并集成電極傳感器，打印結(jié)構(gòu)能夠檢測各種狀態(tài)變化，包括施加的力和旋轉(zhuǎn)。

麻省理工學院的超材料結(jié)構(gòu)由重復細胞的網(wǎng)格組成，其中大部分是柔性的，可以伸展和壓縮。它還包含“導電剪切單元”，有兩個由導電細絲制成的相對壁和兩個由非導電細絲制成的壁。導電壁充當感應電極。當外力施加在結(jié)構(gòu)上時，導電剪切單元膨脹或壓縮，從而改變導電壁之間的距離。利用電容傳感器，研究人員可以測量這些距離變化，并計算所施加力的大小、方向、旋轉(zhuǎn)和加速度。例如，操縱桿手柄上、下、左、右移動（以及隨后的彎曲）。

△3D打印超材料機制中的銅色電容感應電極用于感應壓縮。

為了證明這一點，研究人員制造了一個超材料操縱桿，在手柄底部的每個方向（上、下、左和右）嵌入了四個導電剪切單元。當用戶移動操縱桿手柄時，相對的導電壁之間的距離和面積會發(fā)生變化，因此可以感應到每個施加的力的方向和大小。通過了解用戶如何將力施加在操縱桿上，設計師可以為握力有限的人設計獨特的手柄形狀和尺寸。

△超材料由多排重復的單元組成，導電壁充當電極。照片來自麻省理工學院

研究人員還制造了一個音樂控制器，旨在收集用戶的手部施力數(shù)據(jù)。當用戶按下其中一個柔性按鈕時，結(jié)構(gòu)內(nèi)的導電剪切單元被壓縮，感測到的輸入信號會被發(fā)送到數(shù)字合成器。這種方法可以讓設計人員快速創(chuàng)建和調(diào)整獨特、靈活的計算機輸入設備，例如可擠壓的音量控制器或可彎曲的手寫筆。

△音樂控制手柄

為了擴充3D打印方法，麻省理工學院團隊還開發(fā)了一種名為MetaSense的3D專用編輯器。MetaSense作為超材料CAD軟件允許用戶手動放置導電剪切單元或自動將傳感集成到最佳位置設計中。雖然研究團隊聲稱已經(jīng)盡可能將MetaSense設計得簡單、易操作，但超材料的復雜性仍需要大量的參數(shù)調(diào)整才能成功構(gòu)建。團隊試圖不斷改進軟件算法，實現(xiàn)更復雜的模擬，制造具有數(shù)百或數(shù)千個導電剪切單元設備。

△Metasense操縱桿顯示在 (a) 原始狀態(tài)和 (b,c) 用戶交互期間的變形狀態(tài)，并相應地檢測到導電剪切單元的電容變化。

參考文獻：Gong, J. MetaSense: IntegratingSensing Capabilities into Mechanical Metamaterial.. Retrieved fromhttps://par.nsf.gov/biblio/10283486. ACM Conference on User Interface Softwareand Technology .

文獻地址：https://honnet.github.io/publications/UIST21-MetaSense.pdf

項目地址：https://www.media.mit.edu/projects/metasense/overview/