3D印刷されたオブジェクトは、ユーザーがオブジェクトとどのように相互作用するかを認識できます

マサチューセッツ工科大学の研究者は、センシング機能を反復セルで構成される3D印刷構造に統合する方法を開発しました。これにより、設計者はインタラクティブな入力デバイスのプロトタイプを迅速に作成できます。

マサチューセッツ工科大学の研究者は、物体にかかる力を検出できる3Dプリンターに基づく新しい方法を開発しました。これらの構造は単一の材料でできているため、すばやくプロトタイプを作成できます。設計者はこの方法を使用して、ジョイスティック、スイッチ、ハンドヘルドコントローラなどの「インタラクティブ入力デバイス」を一度に印刷できます。

この目標を達成するために、研究者たちは電極をメタマテリアルで作られた構造に統合しました。メタマテリアルは繰り返しセルグリッドに分割されています。また、ユーザーがこれらのインタラクティブデバイスを構築するのに役立つ編集ソフトウェアも開発しました。

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「メタマテリアルはさまざまな機械的機能をサポートできます。しかし、メタマテリアルのドアノブを作成すると、ドアノブが回転していることもわかります。回転している場合は、何度回転しているのでしょうか。特別なセンシングが必要な場合は、私たちの作業でカスタマイズできます。あなたのニーズを満たすためのメカニズム。」

Linna Gongは、MITの電気工学およびコンピューターサイエンス学部（EECS）の大学院生であるOlivia Seowと、MITメディアラボのリサーチアシスタントであるCedricHonnetと協力してこの論文を執筆しました。他の共著者には、MITの大学院生であるジャックフォーマンと、EECSの准教授でコンピューター科学人工知能研究所（CSAIL）のメンバーである上級著者のステファニーミューラーが含まれます。この研究は、来月のコンピュータ協会ユーザーインターフェイスソフトウェアおよびテクノロジーシンポジウムで発表されます。

「このプロジェクトで最もエキサイティングなことは、知覚をオブジェクトの材料構造に直接統合できることです。これにより、オブジェクトがそれぞれを知覚できる新しいインテリジェントな環境が可能になります。相互作用」とミューラー氏は述べています。 「たとえば、当社のスマートマテリアルを備えた椅子やソファは、ユーザーが座っているときにユーザーの体を検出したり、特定の機能のクエリ（照明やテレビの点灯など）やデータの収集と分析（など）に使用したりできます。体位の検出と修正として）。」

埋め込み電極

メタマテリアルはグリッドセルで構成されているため、ユーザーがメタマテリアルオブジェクトに力を加えると、一部の柔軟な内部セルが伸縮します。

研究者はこれを使用して「導電性せん断セル」を作成しました。これは、導電性フィラメントで作られた2つの対向する壁と非導電性フィラメントで作られた2つの壁を持つ柔軟なセルです。導電性の壁は電極として機能します。

ユーザーがこのメタマテリアルメカニズムに圧力を加えると（ジョイスティックのハンドルを動かすか、コントローラーのボタンを押す）、導電性のせん断ユニットが伸びたり縮んだりして、電極とオーバーラップ領域の間の距離が発生します。静電容量センシング技術を使用して、これらの変化を測定し、加えられた力の大きさと方向、および回転と加速度を計算するために使用できます。

これを証明するために、研究者たちは、ハンドルの下部に各方向（上、下、左、右）に埋め込まれた4つの導電性せん断セルを備えたメタマテリアルジョイスティックを作成しました。ユーザーがジョイスティックのハンドルを動かすと、反対側の導電性の壁の間の距離と面積が変化するため、各力の方向と大きさを感知できます。この場合、これらの値は「パックマン」ゲームの入力に変換されます。
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ジョイスティックのユーザーがどのように力を加えるかを理解することにより、設計者は特定の方向へのグリップが制限されている人々のために、ユニークなハンドルの形状とサイズのプロトタイプを設計できます。

研究者たちはまた、ユーザーの手に合うように音楽コントローラーを設計しました。ユーザーがフレキシブルボタンの1つを押すと、構造内の導電性せん断ユニットが圧縮され、検出された入力がデジタルシンセサイザーに送信されます。

この方法により、設計者は、圧縮可能なボリュームコントローラーや柔軟なスタイラスなどの独自の柔軟なコンピューター入力デバイスをすばやく作成および調整できます。

ソフトウェアソリューション

研究者によって開発された3DエディターmetaSenseは、この種のラピッドプロトタイピングを実現します。ユーザーは、手動でセンシングをメタマテリアル設計に統合するか、ソフトウェアに導電性せん断ユニットを最適な位置に自動的に配置させることができます。

「このツールは、さまざまな力が加えられたときのオブジェクトの変形をシミュレートし、このシミュレートされた変形を使用して、距離の変化が最も大きいセルを計算します。変化が最も大きいセルは、導電性せん断セルの最適な候補です」とGong氏は述べています。言った。

研究者はmetaSenseをわかりやすくするよう努めていますが、このような複雑な構造を印刷することには課題があります。

「マルチマテリアル3Dプリンターでは、1つのノズルが非導電性フィラメントに使用され、1つのノズルが導電性フィラメントに使用されます。ただし、2つの材料の特性が大きく異なる可能性があるため、これは非常に注意が必要です。多くのパラメーターが必要です。理想的な速度や温度などを決定するための調整。しかし、3D印刷技術の継続的な進歩により、ユーザーは将来3D印刷技術を使いやすくなると信じています。」

将来的には、研究者はmetaSenseの背後にあるアルゴリズムを改善して、より複雑なシミュレーションを実現したいと考えています。

彼らはまた、より導電性のせん断セルを備えたメカニズムを作成することを望んでいます。ゴング氏によると、非常に大きなメカニズムに数百または数千の導電性せん断セルを埋め込むことで、ユーザーがオブジェクトをどのように操作するかを高解像度でリアルタイムに視覚化できます。