3D打印的超材料機(jī)械裝置：可感知用戶(hù)如何與其交互！

超材料( Metamaterial),，其拉丁語(yǔ)詞根＂meta-＂表示“超出等含義，是指一類(lèi)具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),，并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理特性(如負(fù)磁導(dǎo)率,、負(fù)介電常數(shù)、負(fù)折射率等)的復(fù)合材料,。

△超材料的近距離照片(圖片來(lái)源: Timothy Sleasman)

有時(shí),，超材料也被稱(chēng)為不可能的材料。理論上講它們可以彎曲物體周?chē)�的能量使其不可�?jiàn),，或者將傳輸?shù)哪芰考�中到聚焦光束��,，或者具有變色龍般的能力�?lái)重新配置能量在不同頻率范圍的的吸收或傳輸。

△哈佛大學(xué)約翰保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了首個(gè)可以聚焦整個(gè)可見(jiàn)光光譜(包括白光)的單鏡頭,，該鏡頭能將光線(xiàn)聚焦到同一個(gè)點(diǎn),，并可以達(dá)到高分率。在傳統(tǒng)的鏡頭中,，只有加多個(gè)鏡頭才能實(shí)現(xiàn)這種效果,。(圖片來(lái)源 Jared Sisler/ Harvard SEAS)

2021年9月19日，南極熊獲悉,，來(lái)自麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的3D打印方法,，該方法可以檢測(cè)力是如何施加到物體上的。這些結(jié)構(gòu)是由一塊材料制成的,，因此它們可以快速原型化,。設(shè)計(jì)師可以使用這種方法一次性3D打印“交互式輸入設(shè)備”，如操縱桿,、開(kāi)關(guān)或手持控制器,。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員將電極集成到由超材料制成的結(jié)構(gòu)中,，超材料是劃分為重復(fù)細(xì)胞網(wǎng)格的材料,。他們還創(chuàng)建了編輯軟件，幫助用戶(hù)構(gòu)建這些交互式設(shè)備,。

“超材料可以支持不同的機(jī)械功能,。但是，如果我們創(chuàng)建了超材料門(mén)把手,，我們還可以知道門(mén)把手正在旋轉(zhuǎn)嗎,？如果是，旋轉(zhuǎn)了多少度,？如果您有特殊的傳感要求,，我們的工作可以讓您定制一種機(jī)制來(lái)滿(mǎn)足您的需要,，”聯(lián)合首席作者龔軍說(shuō)，前訪(fǎng)問(wèn)博士,。麻省理工學(xué)院的學(xué)生,，現(xiàn)在是蘋(píng)果公司的研究科學(xué)家。

龔與其他主要作者,、麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系（EECS）研究生奧利維亞·塞奧（Olivia Seow）和麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室研究助理塞德里克·霍內(nèi)特（Cedric Honnet）共同撰寫(xiě)了這篇論文,。其他合著者包括麻省理工學(xué)院研究生杰克·福曼（Jack Forman）和資深作家斯蒂芬妮·米勒（Stefanie Mueller），世衛(wèi)組織是EECS副教授和計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）成員,。這項(xiàng)研究將在下月舉行的計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)用戶(hù)界面軟件和技術(shù)研討會(huì)上發(fā)表,。

穆勒說(shuō)：“我發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目最令人興奮的是能夠?qū)⒏兄�直接集成到物體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)中。這將創(chuàng)造新的智能環(huán)境,，讓我們的物體能夠感知與它們的每一次交互,。”,�,！袄�如，��(dāng)用戶(hù)坐在由我們的智能材料制成的椅子或沙發(fā)上時(shí),，它可以檢測(cè)到用戶(hù)的身體，并使用它來(lái)查詢(xún)特定功能（如打開(kāi)燈或電視）,，或收集數(shù)據(jù)供以后分析（如檢測(cè)和糾正身體姿勢(shì)）,。”

嵌入式電極

因?yàn)槌�材料是由網(wǎng)格單元構(gòu)成的,，所以當(dāng)用戶(hù)對(duì)超材料對(duì)象施加力時(shí),，一些靈活的內(nèi)部單元會(huì)拉伸或壓縮。

研究人員利用這一優(yōu)勢(shì),，創(chuàng)造了“導(dǎo)電剪切細(xì)胞”,，即具有兩個(gè)由導(dǎo)電絲制成的相對(duì)壁和兩個(gè)由非導(dǎo)電絲制成的壁的柔性細(xì)胞。導(dǎo)電壁起著電極的作用,。

當(dāng)用戶(hù)通過(guò)移動(dòng)操縱手柄或按下控制器上的按鈕向超材料機(jī)構(gòu)施力時(shí),，導(dǎo)電剪切單元會(huì)拉伸或壓縮，相對(duì)電極之間的距離和重疊區(qū)域會(huì)發(fā)生變化,。使用電容傳感,，可以測(cè)量這些變化，并用于計(jì)算施加力的大小和方向,，以及旋轉(zhuǎn)和加速度,。

為了證明這一點(diǎn)，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)超材料操縱桿,，在手柄底部的每個(gè)方向（上,、下,、左、右）嵌入四個(gè)導(dǎo)電剪切單元,。當(dāng)用戶(hù)移動(dòng)操縱手柄時(shí),，相對(duì)的導(dǎo)電壁之間的距離和面積會(huì)發(fā)生變化，因此可以感應(yīng)到每個(gè)作用力的方向和大小,。在本例中,，這些值被轉(zhuǎn)換為“吃豆人”游戲的輸入。

通過(guò)了解操縱桿用戶(hù)如何施加力,，設(shè)計(jì)師可以為在特定方向握力有限的人制作獨(dú)特的手柄形狀和尺寸原型,。

研究人員還發(fā)明了一種音樂(lè)控制器，其設(shè)計(jì)符合用戶(hù)的手,。當(dāng)用戶(hù)按下其中一個(gè)柔性按鈕時(shí),，結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電剪切單元被壓縮，感測(cè)的輸入被發(fā)送到數(shù)字合成器,。

這種方法可以使設(shè)計(jì)師快速創(chuàng)建和調(diào)整獨(dú)特的,、靈活的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，如可壓縮音量控制器或可彎曲的手寫(xiě)筆,。

軟件解決方案

研究人員開(kāi)發(fā)的三維編輯器MetaSense實(shí)現(xiàn)了這種快速原型制作,。用戶(hù)可以手動(dòng)將傳感集成到超材料設(shè)計(jì)中，或者讓軟件自動(dòng)將導(dǎo)電剪切單元放置在最佳位置,。

“該工具將模擬物體在施加不同力時(shí)如何變形,，然后利用模擬的變形來(lái)計(jì)算哪些細(xì)胞的距離變化最大。變化最大的細(xì)胞是導(dǎo)電剪切細(xì)胞的最佳候選者,，”龔說(shuō),。

研究人員努力使元意義變得簡(jiǎn)單明了，但打印這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)還是有挑戰(zhàn)的,。

“在多材料3D打印機(jī)中,，一個(gè)噴嘴將用于非導(dǎo)電燈絲，一個(gè)噴嘴將用于導(dǎo)電燈絲,。但這是相當(dāng)棘手的,，因?yàn)檫@兩種材料可能具有非常不同的特性。需要進(jìn)行大量參數(shù)調(diào)整以確定理想的速度,、溫度等,。但我們相信，作為3D打印技術(shù)nology繼續(xù)變得更好,，這將在未來(lái)對(duì)用戶(hù)更容易,，”他說(shuō)。

未來(lái),，研究人員希望改進(jìn)MetaSense背后的算法,，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的模擬,。他們還希望創(chuàng)造更多導(dǎo)電剪切細(xì)胞的機(jī)制。龔說(shuō),，在一個(gè)非常大的機(jī)械裝置中嵌入數(shù)百或數(shù)千個(gè)導(dǎo)電剪切單元可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)如何與物體交互的高分辨率實(shí)時(shí)可視化,。