Американські інженери дали надрукованим на 3D-принтері коміркам відчути, як з ними взаємодіють через стискання. Вони вимірюють силу дотику, а вчені можуть використати це, наприклад, для створення контролера, з яким можна зіграти на синтезаторі, або джойстика для гри у Pac-Man. Сенсорних здібностей деталі набули завдяки вбудованим електродам, які перетворюють їх на ємнісні датчики, що заміряють зміни від прикладеної до них сили. Свою роботу вчені представлять на конференції UIST 2021, що відбудеться наступного місяця.
Jun Gong et al.
Навіщо деталям відчуття?
Останнім часом область конструкційних матеріалів поповнилася розробками не лише щодо їхньої зовнішньої форми, а і щодо внутрішньої мікроструктури. І ні, мова не про нові матеріали, фізичні і хімічні характеристики яких залежать від їхньої кристалічної або атомної структури. Йдеться про метаматеріали, властивості яких залежать від того, як саме їх сконструюють. Це, наприклад, поверхні з м'якими і твердими ділянками, або такі, що по-різному реагують на воду. Досі метаматеріали розумілися як матеріали з новими і більш широкими конструкційними можливостями, тому більшість досліджень були зосереджені на тому, як і з чого їх побудувати так, щоб отримати певні характеристики. І всього кілька років тому інженери запропонували також розглядати і внутрішню структуру деталей як елемент дизайну і джерела нових якостей. Так, розділяючи якийсь матеріал на сітку повторюваних деталей зі змінюваними параметрами, можна розвинути механічні характеристики без зміни зовнішньої геометрії. Це дуже схоже на оригамі, де модульна конструкція з жорстких граней здатна наділити матеріал великою кількістю ступенів свободи та здатністю швидко трансформуватися. Реконфігуровані пристрої, форма яких може бути змінена, займають важливе місце, якщо йдеться про розгортання притулків у місцях катастроф, медичних інструментах і роботах, а також космічних конструкціях. Їхню відповідність навколишнім умовам можна активно контролювати і відмовитися від націленості на якусь певну одну функцію. Щоб продовжити ідею з подібними модульними конструкціями, дослідники з MIT запропонували концепцію не просто модулів, що реконфігуруються, а таких, що здатні знати про цю деформацію і відчувати прикладену до них силу.
Як наділити деталі дотиком?
Більшість робіт, пов'язаних з відчуттям дотику у предметів, покладаються на прикріплення, наприклад, чутливих стрічок, заповнення внутрішньої структури провідними фарбами або розпилення таких чорнил. Втім, у цій роботі інженери зосередилися на ємнісних сенсорах. Якщо створити здатну відчувати тиск структуру із провідних стінок, то зміна їхнього положення через певні маніпуляції, призведе до зміни ємності, що можна виміряти і використати у свою користь.
Jun Gong et al.
Що зможе такий матеріал?
Як ми вже вказали, окрім того, що він зрозуміє, що над ним проводять якісь маніпуляції, розтягувані чи стиснені від прикладеної сили модулі, змінюють площу перекриття між протилежними електродами — ємність. Ці зміни можна виміряти і використовувати в якості даних для більш складних маніпуляцій, ніж змінювана форма.
Щоб продемонструвати це, дослідники створили джойстик з метаматеріалу з чотирма такими провідними модулями, побудованими навколо ручки джойстика. Коли користувач переміщує її, відстань і площа між протилежними провідними стінками змінюються, тому можна визначити напрямок і величину кожної прикладеної сили. В даному випадку ці значення були перетворили у вхідні дані для гри Pac-Man. Також дослідники також створили музичний контролер, адаптований під руку конкретної людини. Коли користувач натискає одну з гнучких кнопок, модулі всередині конструкції стискаються, а зчитані дані відправляються на цифровий синтезатор.
Завдяки тому, що конструкції виготовлені з цілісного шматка матеріалу, їх можна швидко створювати за допомогою 3D-друку, а потім перетворювати, наприклад, в джойстик, перемикач або портативний контролер одночасно. Щоб допомогти дизайнерам створювати механічні пристрої з таких метаматеріалів, які вимірюють свою деформацію, інженери також створили 3D-редактор, який обчислює оптимальні місця для розміщення цих деталей всередині конструкції. За їхніми словами, це дасть змогу створити інтелектуальне середовище, де стілець або диван зможуть визначати ваше положення без складних технологічно рішень.