麻省理工学院的研究人员开发了一种方法，将传感能力集成到由重复细胞组成的3D打印结构中，这使设计师能够快速原型化交互输入设备。图片来源:麻省理工学院

麻省理工学院的研究人员开发了一种3D打印机制的新方法，可以检测施加在物体上的力。这些结构是由单一的材料制成的，所以它们可以迅速被制成原型。设计师可以使用这种方法一次性打印“交互式输入设备”，如操纵杆、开关或手持控制器。

为了实现这一目标，研究人员将电极集成到由超材料制成的结构中，超材料被分成一个重复细胞网格。他们还开发了编辑软件，帮助用户构建这些交互式设备。

“超材料可以支持不同的机械功能。但如果我们创造一个超材料门把手，我们是否也能知道门把手被旋转了，如果是，旋转了多少度?如果你有特殊的传感需求，我们的工作可以让你定制一个机制来满足你的需求。”

龚琳娜与麻省理工学院电子工程与计算机科学系(EECS)的研究生奥利维亚·肖(Olivia Seow)以及麻省理工学院媒体实验室的研究助理塞德里克·霍尼特(Cedric Honnet)共同撰写了这篇论文。其他合著者包括麻省理工学院研究生Jack Forman和资深作者Stefanie Mueller，后者是EECS的副教授，也是计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的成员。这项研究将在下个月的计算机协会用户界面软件和技术研讨会上公布。

“我发现这个项目最令人兴奋的是，它能够将感知直接集成到物体的材料结构中。这将使新的智能环境成为可能，在这种环境中，我们的物体可以感知与它们的每次互动，”穆勒说。“例如,一把椅子或沙发上由我们的智能材料可以检测用户的身体当用户坐在它,要么用它来查询特定功能(如打开光或电视)或收集数据后分析(如检测和纠正体位)。”

嵌入式电极

因为超材料是由网格单元构成的，当用户对超材料对象施加力时，一些灵活的内部单元会拉伸或压缩。

研究人员利用这一点创造了“导电剪切细胞”，这是一种柔性细胞，它有两个相反的壁由导电丝制成，两壁由不导电丝制成。导电壁起电极的作用。

当用户对这种超材料机构施加压力时——移动操纵杆手柄或按下控制器上的按钮——传导剪切单元就会拉伸或压缩，相反电极之间的距离和重叠区域就会发生变化。使用电容传感技术，这些变化可以被测量，并用于计算施加的力的大小和方向，以及旋转和加速度。

为了证明这一点，研究人员创造了一个超材料操纵杆，在手柄底部的每个方向(上、下、左、右)嵌入四个导电剪切细胞。当用户移动操纵杆手柄时，相对的导电墙之间的距离和面积就会发生变化，所以每个作用力的方向和大小都可以被感知。在这种情况下，这些值被转换成“吃豆人”游戏的输入。

通过了解操纵杆用户如何施加力量，设计师可以为在特定方向上握力有限的人设计独特手柄形状和尺寸的原型。

研究人员还设计了一种音乐控制器，以符合用户的手。当用户按下其中一个柔性按钮时，结构内的传导剪切单元被压缩，感知到的输入被发送到数字合成器。

这种方法可以让设计师快速创建和调整独特的、灵活的电脑输入设备，比如可压缩的音量控制器或可弯曲的触控笔。

一个软件解决方案

研究人员开发的3D编辑器metaSense实现了这种快速原型。用户可以手动将传感集成到超材料设计中，或者让软件自动将导电剪切单元放置在最佳位置。

“该工具将模拟物体在施加不同力时的变形情况，然后使用这种模拟变形来计算哪些单元格的距离变化最大。变化最大的细胞是导电剪切细胞的最佳候选细胞，”龚说。

研究人员努力使metaSense直接，但打印如此复杂的结构存在挑战。

“在多材料3D打印机中，一个喷嘴用于非导电灯丝，一个喷嘴用于导电灯丝。但这是相当棘手的，因为这两种材料可能有非常不同的性质。它需要大量的参数调整来确定理想的速度、温度等。但我们相信，随着3D打印技术不断进步，未来用户将更容易使用3D打印技术。”

在未来，研究人员希望改进metaSense背后的算法，以实现更复杂的模拟。

他们也希望创造出具有更多导电剪切细胞的机制。Gong说，在一个非常大的机制中嵌入数百或数千个导电剪切细胞，可以实现高分辨率、实时可视化的用户如何与一个物体交互。