Το MIT αναπτύσσει 3D-Printed Revolving Devices που αντιλαμβάνονται πώς κινούνται

Το MIT αναπτύσσει 3D-Printed Revolving Devices που αντιλαμβάνονται πώς κινούνται

Η ενσωμάτωση αισθητήρων σε περιστροφικούς μηχανισμούς θα μπορούσε να επιτρέψει στους μηχανικούς να κατασκευάσουν έξυπνους μεντεσέδες που γνωρίζουν πότε έχει ανοίξει μια πόρτα ή γρανάζια μέσα σε έναν κινητήρα που λένε στον μηχανικό πόσο γρήγορα περιστρέφονται. Οι μηχανικοί του MIT έχουν πλέον αναπτύξει έναν τρόπο για να ενσωματώνουν εύκολα αισθητήρες σε αυτούς τους τύπους μηχανισμών, με τρισδιάστατη εκτύπωση.

Παρόλο που η πρόοδος στην τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει την ταχεία κατασκευή περιστροφικών μηχανισμών, η ενσωμάτωση αισθητήρων στα σχέδια εξακολουθεί να είναι εμφανώς δύσκολη. Λόγω της πολυπλοκότητας των περιστρεφόμενων εξαρτημάτων, οι αισθητήρες συνήθως ενσωματώνονται χειροκίνητα, αφού η συσκευή έχει ήδη παραχθεί.

Ωστόσο, η χειροκίνητη ενσωμάτωση αισθητήρων δεν είναι εύκολη υπόθεση. Τοποθετήστε τα μέσα σε μια συσκευή και τα καλώδια μπορεί να μπερδευτούν στα περιστρεφόμενα μέρη ή να εμποδίσουν τις περιστροφές τους, αλλά η τοποθέτηση εξωτερικών αισθητήρων θα αύξανε το μέγεθος ενός μηχανισμού και ενδεχομένως θα περιόριζε την κίνησή του.

Αντίθετα, το νέο σύστημα που ανέπτυξαν οι ερευνητές του MIT επιτρέπει σε έναν κατασκευαστή να εκτυπώνει 3D αισθητήρες απευθείας στα κινούμενα μέρη ενός μηχανισμού χρησιμοποιώντας αγώγιμο νήμα τρισδιάστατης εκτύπωσης. Αυτό δίνει στις συσκευές τη δυνατότητα να ανιχνεύουν τη γωνιακή τους θέση, την ταχύτητα περιστροφής και την κατεύθυνση περιστροφής τους.

Με το σύστημά τους, που ονομάζεται MechSense, ένας κατασκευαστής μπορεί να κατασκευάσει περιστροφικούς μηχανισμούς με ενσωματωμένους αισθητήρες σε ένα μόνο πέρασμα χρησιμοποιώντας έναν 3D εκτυπωτή πολλαπλών υλικών. Αυτοί οι τύποι εκτυπωτών χρησιμοποιούν πολλά υλικά ταυτόχρονα για την κατασκευή μιας συσκευής.

Για να απλοποιήσουν τη διαδικασία κατασκευής, οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα πρόσθετο για το λογισμικό σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή SolidWorks που ενσωματώνει αυτόματα αισθητήρες σε ένα μοντέλο του μηχανισμού, το οποίο στη συνέχεια θα μπορούσε να σταλεί απευθείας στον 3D εκτυπωτή για κατασκευή.

Το MechSense θα μπορούσε να επιτρέψει στους μηχανικούς να πρωτοτυπήσουν γρήγορα συσκευές με περιστρεφόμενα μέρη, όπως τουρμπίνες ή κινητήρες, ενσωματώνοντας ταυτόχρονα την αίσθηση απευθείας στα σχέδια. Θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στη δημιουργία απτών διεπαφών χρήστη για περιβάλλοντα επαυξημένης πραγματικότητας, όπου η ανίχνευση είναι κρίσιμη για την παρακολούθηση των κινήσεων και της αλληλεπίδρασης του χρήστη με αντικείμενα.

«Πολλές από τις έρευνες που κάνουμε στο εργαστήριό μας περιλαμβάνουν τη λήψη μεθόδων κατασκευής που δημιουργούν τα εργοστάσια ή τα εξειδικευμένα ιδρύματα και στη συνέχεια να κάνουμε προσιτές στους ανθρώπους. Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι ένα εργαλείο που πολλοί άνθρωποι μπορούν να αντέξουν οικονομικά να έχουν στα σπίτια τους. Πώς μπορούμε λοιπόν να παρέχουμε στον μέσο κατασκευαστή τα απαραίτητα εργαλεία για την ανάπτυξη αυτών των τύπων διαδραστικών μηχανισμών; Στο τέλος της ημέρας, αυτή η έρευνα περιστρέφεται γύρω από αυτόν τον στόχο.» λέει η Marwa AlAlawi, πτυχιούχος μηχανολόγος μηχανικός και επικεφαλής συγγραφέας του a χαρτί στο MechSense.

Οι συν-συγγραφείς του AlAlawi περιλαμβάνουν τον Michael Wessely, πρώην μεταδιδάκτορα στο MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) που είναι τώρα επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Aarhus. και ανώτερη συγγραφέας Stefanie Mueller, αναπληρώτρια καθηγήτρια στα τμήματα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του MIT και Επιστήμης Υπολογιστών και Μηχανολόγων Μηχανικών, και μέλος του CSAIL. καθώς και άλλοι στο MIT και συνεργάτες από την Accenture Labs. Η έρευνα θα παρουσιαστεί στο ACM CHI Conference on Human Factors in Computing Systems.

Ενσωματωμένη ανίχνευση

Για να ενσωματώσουν αισθητήρες σε έναν περιστροφικό μηχανισμό με τρόπο που να μην διαταράσσει την κίνηση της συσκευής, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την χωρητική ανίχνευση.

Ένας πυκνωτής αποτελείται από δύο πλάκες αγώγιμου υλικού που έχουν μεταξύ τους ένα μονωτικό υλικό. Εάν αλλάξει η επικαλυπτόμενη περιοχή ή η απόσταση μεταξύ των αγώγιμων πλακών, ίσως περιστρέφοντας τον μηχανισμό, ένας χωρητικός αισθητήρας μπορεί να ανιχνεύσει τις προκύπτουσες αλλαγές στο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πλακών. Αυτές οι πληροφορίες θα μπορούσαν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της ταχύτητας, για παράδειγμα.

«Στην χωρητική ανίχνευση, δεν χρειάζεται απαραίτητα να έχετε επαφή μεταξύ των δύο αντίθετων αγώγιμων πλακών για να παρακολουθείτε τις αλλαγές στον συγκεκριμένο αισθητήρα. Εκμεταλλευτήκαμε αυτό για τον σχεδιασμό των αισθητήρων μας.» λέει ο Αλάουι.

Οι περιστροφικοί μηχανισμοί αποτελούνται συνήθως από ένα περιστροφικό στοιχείο που βρίσκεται πάνω, κάτω ή δίπλα σε ένα ακίνητο στοιχείο, όπως ένα γρανάζι που περιστρέφεται σε έναν στατικό άξονα πάνω από μια επίπεδη επιφάνεια. Το περιστρεφόμενο γρανάζι είναι το περιστροφικό στοιχείο και η επίπεδη επιφάνεια από κάτω του είναι το ακίνητο στοιχείο.

Ο αισθητήρας MechSense περιλαμβάνει τρία μπαλώματα κατασκευασμένα από αγώγιμο υλικό που εκτυπώνονται στη σταθερή πλάκα, με κάθε έμπλαστρο να διαχωρίζεται από τα γειτονικά του με μη αγώγιμο υλικό. Ένα τέταρτο έμπλαστρο αγώγιμου υλικού, το οποίο έχει την ίδια περιοχή με τα άλλα τρία μπαλώματα, εκτυπώνεται στην περιστρεφόμενη πλάκα.

Καθώς η συσκευή περιστρέφεται, το έμπλαστρο στην περιστρεφόμενη πλάκα, που ονομάζεται αιωρούμενος πυκνωτής, επικαλύπτει κάθε ένα από τα μπαλώματα στη σταθερή πλάκα με τη σειρά του. Καθώς η επικάλυψη μεταξύ του περιστρεφόμενου εμπλάστρου και κάθε σταθερού εμπλάστρου αλλάζει (από πλήρως καλυμμένο, σε μισό καλυμμένο, σε μη καλυμμένο καθόλου), κάθε έμπλαστρο ανιχνεύει ξεχωριστά την προκύπτουσα αλλαγή στη χωρητικότητα.

Ο πλωτός πυκνωτής δεν είναι συνδεδεμένος σε κανένα κύκλωμα, επομένως τα καλώδια δεν θα μπερδεύονται με τα περιστρεφόμενα εξαρτήματα.

Αντίθετα, τα σταθερά μπαλώματα συνδέονται με ηλεκτρονικά που χρησιμοποιούν λογισμικό που ανέπτυξαν οι ερευνητές για να μετατρέψουν τα ακατέργαστα δεδομένα αισθητήρων σε εκτιμήσεις της γωνιακής θέσης, της κατεύθυνσης περιστροφής και της ταχύτητας περιστροφής.

Ενεργοποίηση ταχείας δημιουργίας πρωτοτύπων

Για να απλοποιήσουν τη διαδικασία ολοκλήρωσης αισθητήρα για έναν χρήστη, οι ερευνητές δημιούργησαν μια επέκταση SolidWorks. Ένας κατασκευαστής καθορίζει τα περιστρεφόμενα και σταθερά μέρη του μηχανισμού τους, καθώς και το κέντρο περιστροφής και, στη συνέχεια, το σύστημα προσθέτει αυτόματα μπαλώματα αισθητήρα στο μοντέλο.

«Δεν αλλάζει καθόλου το σχέδιο. Απλώς αντικαθιστά μέρος της συσκευής με διαφορετικό υλικό, σε αυτήν την περίπτωση αγώγιμο υλικό.» λέει ο Αλάουι.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το σύστημά τους για να πρωτοτυπήσουν πολλές συσκευές, συμπεριλαμβανομένης μιας έξυπνης λάμπας γραφείου που αλλάζει το χρώμα και τη φωτεινότητα του φωτός της ανάλογα με το πώς ο χρήστης περιστρέφει το κάτω ή το μέσο της λάμπας. Παρήγαγαν επίσης ένα πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σε ρομποτικούς βραχίονες, και έναν τροχό που μετρά την απόσταση καθώς κυλάει σε μια επιφάνεια.

Καθώς δημιούργησαν το πρωτότυπο, η ομάδα διεξήγαγε επίσης τεχνικά πειράματα για να τελειοποιήσει το σχεδιασμό των αισθητήρων τους. Διαπίστωσαν ότι, καθώς μείωσαν το μέγεθος των μπαλωμάτων, ο αριθμός σφαλμάτων στα δεδομένα του αισθητήρα αυξήθηκε.

«Σε μια προσπάθεια να δημιουργήσουμε ηλεκτρονικές συσκευές με πολύ λίγα ηλεκτρονικά απόβλητα, θέλουμε συσκευές με μικρότερο ίχνος που να μπορούν να έχουν καλή απόδοση. Αν ακολουθήσουμε την ίδια προσέγγισή μας και ίσως χρησιμοποιήσουμε διαφορετικό υλικό ή διαδικασία κατασκευής, νομίζω ότι μπορούμε να μειώσουμε, συγκεντρώνοντας λιγότερα σφάλματα χρησιμοποιώντας την ίδια γεωμετρία.“ αυτή λέει.

Εκτός από τη δοκιμή διαφορετικών υλικών, η AlAlawi και οι συνεργάτες της σχεδιάζουν να εξερευνήσουν πώς θα μπορούσαν να αυξήσουν την ανθεκτικότητα του σχεδιασμού των αισθητήρων τους στον εξωτερικό θόρυβο και επίσης να αναπτύξουν εκτυπώσιμους αισθητήρες για άλλους τύπους κινούμενων μηχανισμών.

Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε, εν μέρει, από την Accenture Labs.