Objetos impresos en 3D que detectan cómo un usuario interactúa con ellos.

Los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo método para imprimir en 3D mecanismos que detectan cómo se aplica la fuerza a un objeto. Las estructuras están hechas de una sola pieza de material, por lo que pueden prototiparse rápidamente. Un diseñador podría utilizar este método para imprimir en 3D «dispositivos de entrada interactivos», como un joystick, un interruptor o un controlador de mano, de una sola vez.

Para lograr esto, los investigadores integraron electrodos en estructuras hechas de metamateriales, que son materiales divididos en una cuadrícula de células repetidas. También crearon un software de edición que ayuda a los usuarios a construir estos dispositivos interactivos.

«Los metamateriales pueden admitir diferentes funcionalidades mecánicas. Pero si creamos una manija de puerta de metamaterial, ¿podemos saber también que la manija de la puerta está girando y, de ser así, en cuántos grados? Si tiene requisitos especiales de detección, nuestro trabajo le permite personalice un mecanismo para satisfacer sus necesidades «, dice el coautor principal Jun Gong, ex Ph.D. estudiante del MIT que ahora es científico investigador en Apple.

Gong escribió el artículo junto con sus colegas autores principales, Olivia Seow, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT, y Cedric Honnet, asistente de investigación en el MIT Media Lab. Otros coautores son el estudiante graduado del MIT Jack Forman y la autora principal Stefanie Mueller, profesora asociada en EECS y miembro del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL). La investigación se presentará en el Simposio de la Asociación de Maquinaria de Computación sobre Software y Tecnología de Interfaz de Usuario el próximo mes.

«Lo que me parece más emocionante del proyecto es la capacidad de integrar la detección directamente en la estructura material de los objetos. Esto permitirá nuevos entornos inteligentes en los que nuestros objetos pueden detectar cada interacción con ellos», dice Mueller. «Por ejemplo, una silla o sofá fabricado con nuestro material inteligente podría detectar el cuerpo del usuario cuando el usuario se sienta en él y usarlo para consultar funciones particulares (como encender la luz o el televisor) o para recopilar datos para un análisis posterior ( como detectar y corregir la postura corporal) «.

Electrodos empotrados

Debido a que los metamateriales están hechos de una cuadrícula de celdas, cuando el usuario aplica fuerza a un objeto metamaterial, algunas de las celdas interiores flexibles se estiran o comprimen.

Los investigadores aprovecharon esto para crear «células de cizallamiento conductoras», células flexibles que tienen dos paredes opuestas hechas de filamento conductor y dos paredes hechas de filamento no conductor. Las paredes conductoras funcionan como electrodos.

Cuando un usuario aplica fuerza al mecanismo de metamaterial, moviendo un joystick o presionando los botones de un controlador, las células de corte conductoras se estiran o comprimen, y la distancia y el área de superposición entre los electrodos opuestos cambia. Mediante la detección capacitiva, esos cambios se pueden medir y utilizar para calcular la magnitud y la dirección de las fuerzas aplicadas, así como la rotación y la aceleración.

Para demostrar esto, los investigadores crearon un joystick de metamaterial con cuatro células de corte conductoras incrustadas alrededor de la base del mango en cada dirección (arriba, abajo, izquierda y derecha). A medida que el usuario mueve el mango del joystick, la distancia y el área entre las paredes conductoras opuestas cambian, por lo que se puede detectar la dirección y la magnitud de cada fuerza aplicada. En este caso, esos valores se convirtieron en entradas para un juego «PAC-MAN».

Al comprender cómo los usuarios de joystick aplican las fuerzas, un diseñador podría crear un prototipo de formas y tamaños de mangos únicos para personas con una fuerza de agarre limitada en ciertas direcciones.

Los investigadores también crearon un controlador de música diseñado para adaptarse a la mano del usuario. Cuando el usuario presiona uno de los botones flexibles, las células de corte conductivo dentro de la estructura se comprimen y la entrada detectada se envía a un sintetizador digital.

Este método podría permitir a un diseñador crear y ajustar rápidamente dispositivos de entrada flexibles y únicos para una computadora, como un controlador de volumen comprimible o un lápiz óptico flexible.

Una solución de software

MetaSense, el editor 3D que desarrollaron los investigadores, permite esta rápida creación de prototipos. Los usuarios pueden integrar manualmente la detección en un diseño de metamaterial o dejar que el software coloque automáticamente las células de corte conductoras en ubicaciones óptimas.

«La herramienta simulará cómo se deformará el objeto cuando se apliquen diferentes fuerzas, y luego usará esta deformación simulada para calcular qué celdas tienen el máximo cambio de distancia. Las celdas que más cambian son las candidatas óptimas para ser celdas conductivas de corte». Dice Gong.

Los investigadores se esforzaron por hacer que MetaSense fuera sencillo, pero existen desafíos para imprimir estructuras tan complejas.

«En una impresora 3D multimaterial, se usaría una boquilla para filamento no conductor y una boquilla para filamento conductor. Pero es bastante complicado porque los dos materiales pueden tener propiedades muy diferentes. Requiere mucho ajuste de parámetros para asentarse en la velocidad ideal, temperatura, etc. Pero creemos que, a medida que la tecnología de impresión 3D continúe mejorando, esto será mucho más fácil para los usuarios en el futuro «, dice.

En el futuro, a los investigadores les gustaría mejorar los algoritmos detrás de MetaSense para permitir simulaciones más sofisticadas.

También esperan crear mecanismos con muchas más células de cizallamiento conductoras. Incrustar cientos o miles de células de corte conductivo dentro de un mecanismo muy grande podría permitir visualizaciones de alta resolución en tiempo real de cómo un usuario está interactuando con un objeto, dice Gong.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.