Американські інженери взялися за пошук способів корисного використання зазвичай пасивних поверхонь — фасадів, стін, вікон та дверей. Так вони представили підвісного робота Duco, дали йому електронних чорнил та навчили повзати стінами, щоб креслити на них мікросхеми. Так Duco перетворив стіну на піаніно, контролер для кавоварки, інтерактивну тривимірну лампу і сенсорний датчик, а вікно отримало змогу накопичувати енергію у FM-діапазоні та живити термометр через Bluetooth. Свого схожого на павука робота вчені представили у Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies.
До чого перетворювати стіну на електросхему?
У своїй більшості інженери все ж шукають способів зменшити масштаби своїх електронних пристроїв та втулити на кремнієвий чіп якомога більше транзисторів. Варто згадати принаймні сумнозвісний закон Мура, який вони намагаються обігнати і сягають розмірів у десятки атомів. Однак для, навпаки, появи можливості дешево і швидко створювати крупномасштабні електросхеми, підходів існує не так багато. По інший бік мініатюаризації стоять величезні простори пасивних поверхонь, потенціал яких ніяк не використовується. Стіни, вікна, забори, фасади будівель та інші конструкції, які використовуються нами не більш як «розділювачі» простору, могли б набути нових функцій і застосувань, якщо наділити їх інтерактивністю. Принаймні так вважають американські розробники з Технологічного інституту Джорджії та Каліфорнійського університету. На їхню думку, концепція «розумного будинку» не буде повною, якщо не звертати увагу на великі об'єкти, якими ми буквально оточені. Тому вони звернулися до способів, які дають змогу перетворювати звичайні поверхні на електронні компоненти та додавати їм інтерактивності.
Tingyu Cheng et al.
Як зробити стіну розумною?
Однією з найбільших проблем в забезпеченні такого інтерактивного оточення з датчиків є власне їхня інтеграція у часто незручне фізичне середовище, яке різниться матеріалами та геометрією. Перетворення стіни на інтерактивну поверхню вимагає конструкційних компромісів від того, як прикріпити елементи і до бетону, і до плитки, до того, як нанести їх на нерівну поверхню. Поширювати електросхеми найрізноманітнішими матеріалами дають змогу струменевий і трафаретний друк електронними чорнилами, їхнє розпилювання у формі спрею, а також водно-трансферний друк. Втім, їхнє масштабування обмежує, наприклад, розмір принтерів чи площа сітки для трафаретного друку. А також потреба у людських зусиллях: підготовка і вирівнювання трафаретів, ручне нанесення або розпорошення чорнил, видалення трафаретів. Так весь задум перетворюється на складний і трудомісткий процес. Але розроблений дослідниками робот Duco має полегшити завдання, перебравши на себе ці функції.
Так вчені наділили його трьома типами інструментів: пером для малювання електронними чорнилами для малювання, лазерним різаком, а також ультрафіолетовою голівкою, яка дасть змогу одразу закріплювати готовий малюнок-електросхему. Причому Duco може легко перемикатися між різними типами фарб за допомогою спеціального поворотного механізму зміни інструменту. Все це знаходиться у «тілі» робота — центральній платформі — яка тримається на вертикальних поверхнях за допомогою двох кріплень, «ніжок», на ременях. Робот здатен малювати зі швидкістю до 20 сантиметрів на секунду та кріпитися до будь-якого типу поверхні, а всі його складові можна надрукувати на 3D-принтері.
Як помалював Duco?
Разом з Duco інженери реалізували п'ять прикладів додатків, які демонструють відсутність необхідності у втручанні людини і можливість залишити робота малювати наодинці з собою, а також його вміння малювати складні як 2D, так і 3D схеми, кількома матеріалами, використовуючи пошарове нанесення. Так спершу Duco накреслив на стіні інтерактивне піаніно розміром 160 на 32 сантиметри, на якому можна грати і чорними, і білими клавішами, перемикати тональність і регулювати гучність мелодії, яку дослідники відтворювали на портативних динаміках. Потім одну зі стін вчені перетворили на інтерактивний контролер кавоварки 96 на 68 сантиметрів. Так завдяки Duco їхню офісну кавоварку на кухні вдалося запустити, відрегулювати і змінити міцність заварювання кави, торкаючись стіни.
Щоб подарувати стінам сприйняття, Duco накреслив сітку розміром 200 на 110 сантиметрів з двох провідних шарів з ізолятором між ними. Так поверхня може, наприклад, відслідковувати рухи і жести.
Стіна з тактильним відчуттям завдяки Duco. Tingyu Cheng et al.
Особливу роль в приміщеннях грають вікна. На відміну від звичайних стін або дерев'яних рам, які функціонують для розділення простору, скляні поверхні повинні залишати за собою можливість бачити крізь них. Інженери встановили свого робота на вікно і дали йому надрукувати на ньому сітку розміром 120 на 120 сантиметрів, яка дасть змогу збирати енергію з випромінювання FM-діапазону. На відміну від інших додатків, накопичувачі енергії вимагають, щоб схеми мали точну довжину, ширин та навіть напрямок і розташування ліній для досягнення бажаних радіочастотних характеристик. Наприклад, всі елементи, які вчені нанесли схемою на вікно для збору енергії, відповідають певній довжині хвилі і тому розрізняються по довжині, ширині, розташуванню і напрямку наведення. В результаті вікно отримало можливість збирати енергію з оточуючих FM-веж у всіх напрямках і при цьому залишатися прозорим. А інженери таким чином успішно підживили модуль Bluetooth з вбудованим термометром і акселерометром.
Розмальоване Duco вікно. Tingyu Cheng et al.
І нарешті останнім цікавим додатком, який зміг створити Duco, стала інтерактивна 3D-лампа висотою 110 сантиметрів. Однак, працюючи з Duco, дослідники також виявили декілька обмежуючих факторів. Зокрема електронні чорнила на основі наночастинок срібла, які обрали через простоту у малюванні, вимагали досить багато часу для затвердіння. Наприклад, на настінне піаніно знадобилося 30 хвилин. Також необхідність у значному часі впливу ультрафіолетового випромінювання перетворює термочутливі поверхні, як-то пластик, на непридатні для поліпшення за допомогою малюнків Duco. Також поки немає можливості перезаряджати маркери для малювання автоматично, що вимагає втручання людини. У майбутньому інженери планують придумати для Duco механізм дозаправлення чорнил, а також забезпечити його USB-мікроскопом для перевірки рівності і цілісності друкованої схеми.
Надрукована Duco лампа. Tingyu Cheng et al.
Масштабувати вчені пропонують не лише електросхеми для друку на стінах. Так, наприклад, ми писали, як інженерам вдалося надрукувати паперове кільце-гучномовець довжиною 387 сантиметрів на звичайній друкарській машині за допомогою електронних чорнил. А самі такі чорнила навчилися витримувати 3D-друк та розтягування на 500 відсотків завдяки іонам водню.