3D打印的超材料机械装置：可感知用户如何与其交互！

超材料( Metamaterial)，其拉丁语词根＂meta-＂表示“超出等含义，是指一类具有人工设计的结构，并呈现出天然材料所不具备的超常物理特性(如负磁导率、负介电常数、负折射率等)的复合材料。

△超材料的近距离照片(图片来源: Timothy Sleasman)

有时，超材料也被称为不可能的材料。理论上讲它们可以弯曲物体周围的能量使其不可见，或者将传输的能量集中到聚焦光束中，或者具有变色龙般的能力来重新配置能量在不同频率范围的的吸收或传输。

△哈佛大学约翰保尔森工程和应用科学学院的科学家团队开发出了首个可以聚焦整个可见光光谱(包括白光)的单镜头，该镜头能将光线聚焦到同一个点，并可以达到高分率。在传统的镜头中，只有加多个镜头才能实现这种效果。(图片来源 Jared Sisler/ Harvard SEAS)

2021年9月19日，南极熊获悉，来自麻省理工学院的研究人员开发了一种新的3D打印方法，该方法可以检测力是如何施加到物体上的。这些结构是由一块材料制成的，因此它们可以快速原型化。设计师可以使用这种方法一次性3D打印“交互式输入设备”，如操纵杆、开关或手持控制器。

为了实现这一点，研究人员将电极集成到由超材料制成的结构中，超材料是划分为重复细胞网格的材料。他们还创建了编辑软件，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。但是，如果我们创建了超材料门把手，我们还可以知道门把手正在旋转吗？如果是，旋转了多少度？如果您有特殊的传感要求，我们的工作可以让您定制一种机制来满足您的需要，”联合首席作者龚军说，前访问博士。麻省理工学院的学生，现在是苹果公司的研究科学家。

龚与其他主要作者、麻省理工学院电气工程和计算机科学系（EECS）研究生奥利维亚·塞奥（Olivia Seow）和麻省理工学院媒体实验室研究助理塞德里克·霍内特（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杰克·福曼（Jack Forman）和资深作家斯蒂芬妮·米勒（Stefanie Mueller），世卫组织是EECS副教授和计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）成员。这项研究将在下月举行的计算机协会用户界面软件和技术研讨会上发表。

穆勒说：“我发现该项目最令人兴奋的是能够将感知直接集成到物体的物质结构中。这将创造新的智能环境，让我们的物体能够感知与它们的每一次交互。”。“例如，当用户坐在由我们的智能材料制成的椅子或沙发上时，它可以检测到用户的身体，并使用它来查询特定功能（如打开灯或电视），或收集数据供以后分析（如检测和纠正身体姿势）。”

嵌入式电极

因为超材料是由网格单元构成的，所以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。

研究人员利用这一优势，创造了“导电剪切细胞”，即具有两个由导电丝制成的相对壁和两个由非导电丝制成的壁的柔性细胞。导电壁起着电极的作用。

当用户通过移动操纵手柄或按下控制器上的按钮向超材料机构施力时，导电剪切单元会拉伸或压缩，相对电极之间的距离和重叠区域会发生变化。使用电容传感，可以测量这些变化，并用于计算施加力的大小和方向，以及旋转和加速度。

为了证明这一点，研究人员创建了一个超材料操纵杆，在手柄底部的每个方向（上、下、左、右）嵌入四个导电剪切单元。当用户移动操纵手柄时，相对的导电壁之间的距离和面积会发生变化，因此可以感应到每个作用力的方向和大小。在本例中，这些值被转换为“吃豆人”游戏的输入。

通过了解操纵杆用户如何施加力，设计师可以为在特定方向握力有限的人制作独特的手柄形状和尺寸原型。

研究人员还发明了一种音乐控制器，其设计符合用户的手。当用户按下其中一个柔性按钮时，结构内的导电剪切单元被压缩，感测的输入被发送到数字合成器。

这种方法可以使设计师快速创建和调整独特的、灵活的计算机输入设备，如可压缩音量控制器或可弯曲的手写笔。

软件解决方案

研究人员开发的三维编辑器MetaSense实现了这种快速原型制作。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如何变形，然后利用模拟的变形来计算哪些细胞的距离变化最大。变化最大的细胞是导电剪切细胞的最佳候选者，”龚说。

研究人员努力使元意义变得简单明了，但打印这样复杂的结构还是有挑战的。

“在多材料3D打印机中，一个喷嘴将用于非导电灯丝，一个喷嘴将用于导电灯丝。但这是相当棘手的，因为这两种材料可能具有非常不同的特性。需要进行大量参数调整以确定理想的速度、温度等。但我们相信，作为3D打印技术nology继续变得更好，这将在未来对用户更容易，”他说。

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。他们还希望创造更多导电剪切细胞的机制。龚说，在一个非常大的机械装置中嵌入数百或数千个导电剪切单元可以实现用户如何与物体交互的高分辨率实时可视化。