MIT研究人员开发新型运动感应3D打印超材料

导读：麻省理工学院（MIT）研究人员利用3D打印开发出了一种可以感知用户交互的新方法。通过3D打印超材料并集成电极传感器，打印结构能够检测各种状态变化，包括施加的力和旋转。

麻省理工学院的超材料结构由重复细胞的网格组成，其中大部分是柔性的，可以伸展和压缩。它还包含“导电剪切单元”，有两个由导电细丝制成的相对壁和两个由非导电细丝制成的壁。导电壁充当感应电极。当外力施加在结构上时，导电剪切单元膨胀或压缩，从而改变导电壁之间的距离。利用电容传感器，研究人员可以测量这些距离变化，并计算所施加力的大小、方向、旋转和加速度。例如，操纵杆手柄上、下、左、右移动（以及随后的弯曲）。

△3D打印超材料机制中的铜色电容感应电极用于感应压缩。

为了证明这一点，研究人员制造了一个超材料操纵杆，在手柄底部的每个方向（上、下、左和右）嵌入了四个导电剪切单元。当用户移动操纵杆手柄时，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施加的力的方向和大小。通过了解用户如何将力施加在操纵杆上，设计师可以为握力有限的人设计独特的手柄形状和尺寸。

△超材料由多排重复的单元组成，导电壁充当电极。照片来自麻省理工学院

研究人员还制造了一个音乐控制器，旨在收集用户的手部施力数据。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，感测到的输入信号会被发送到数字合成器。这种方法可以让设计人员快速创建和调整独特、灵活的计算机输入设备，例如可挤压的音量控制器或可弯曲的手写笔。

△音乐控制手柄

为了扩充3D打印方法，麻省理工学院团队还开发了一种名为MetaSense的3D专用编辑器。MetaSense作为超材料CAD软件允许用户手动放置导电剪切单元或自动将传感集成到最佳位置设计中。虽然研究团队声称已经尽可能将MetaSense设计得简单、易操作，但超材料的复杂性仍需要大量的参数调整才能成功构建。团队试图不断改进软件算法，实现更复杂的模拟，制造具有数百或数千个导电剪切单元设备。

△Metasense操纵杆显示在 (a) 原始状态和 (b,c) 用户交互期间的变形状态，并相应地检测到导电剪切单元的电容变化。

参考文献：Gong, J. MetaSense: IntegratingSensing Capabilities into Mechanical Metamaterial.. Retrieved fromhttps://par.nsf.gov/biblio/10283486. ACM Conference on User Interface Softwareand Technology .

文献地址：https://honnet.github.io/publications/UIST21-MetaSense.pdf

项目地址：https://www.media.mit.edu/projects/metasense/overview/