Nová platforma umožňuje rychlé prototypování velkých a robustních interaktivních struktur

Prototypování velkých struktur s integrovanou elektronikou, například židle, která monitoruje držení těla, je typicky zdlouhavý a nákladný proces. Často je nutné vyrobit několik verzí struktury pomocí 3D tisku a laserového řezání, což generuje značné množství odpadu. Teprve poté se sestavuje rám, přidávají senzory a další křehká elektronika a vše se zapojuje do funkčního zařízení. Pokud se prototyp nepovede, je třeba ho zahodit a začít znovu.

Výzkumníci z MIT však přišli s lepším řešením pro iterativní návrh velkých a robustních interaktivních struktur. Vyvinuli platformu pro rychlý vývoj, která využívá rekonfigurovatelné stavební bloky s integrovanou elektronikou, jež lze sestavit do složitých, funkčních zařízení. Místo zabudování elektroniky do struktury se elektronika stává strukturou samotnou.

Tyto lehké trojrozměrné mřížkové stavební bloky, známé jako voxely, vykazují vysokou pevnost a tuhost a zároveň integrované snímací, reakční a zpracovatelské schopnosti. To umožňuje uživatelům bez zkušeností s mechanickým nebo elektrotechnickým inženýrstvím rychle vyrábět interaktivní elektronická zařízení.

Voxely, které lze téměř nekonečně sestavovat, rozebírat a rekonfigurovat do různých tvarů, stojí přibližně 50 centů za kus.

Platforma pro prototypování, nazvaná VIK (Voxel Invention Kit), zahrnuje uživatelsky přívětivý návrhový nástroj, který umožňuje koncové prototypování. Uživatel tak může simulovat odezvu struktury na mechanické zatížení a podle potřeby upravovat návrh.

„Cílem je demokratizovat přístup k funkčním interaktivním zařízením. S VIK není zapotřebí 3D tisk ani laserové řezání. Pokud máte pouze plochy voxelů, můžete tyto interaktivní struktury vyrábět kdekoli chcete,“ říká Jack Forman, absolvent MIT v oboru mediálních umění a věd a spolupracovník Centra pro bity a atomy (CBA) a MIT Media Lab, a hlavní autor článku o VIK. Článek o VIK

Formanovi se na článku podíleli spoluautorka a kolegyně studentka Miana Smith; studentka Amira Abdel-Rahman; a vedoucí autor Neil Gershenfeld, profesor MIT a ředitel CBA. Výzkum bude prezentován na konferenci o lidských faktorech v počítačových systémech.

Funkční stavební bloky

VIK navazuje na dlouholetou práci v CBA na vývoji diskrétních, celulárních stavebních bloků zvaných voxely. Jeden voxel, hliníková kubooktaedrická mřížka (s osmi trojúhelníkovými a šesti čtvercovými plochami), je dostatečně pevný na to, aby unesl 228 kilogramů, což je přibližně hmotnost vzpřímeného klavíru.

Voxely se nesestavují 3D tiskem, frézováním ani laserovým řezáním, ale skládají se do velkých, pevných a odolných struktur, jako jsou součásti letadel nebo větrné turbíny, které mohou reagovat na své okolí.

Tým CBA sloučil voxely s dalšími pracemi v jejich laboratoři zaměřenými na vzájemně propojené elektrické součásti, čímž vznikly voxely se strukturální elektronikou. Sestavením těchto funkčních voxelů vznikají struktury, které mohou přenášet data a energii i mechanické síly bez nutnosti použití drátů.

Tyto elektromechanické stavební bloky byly použity k vývoji VIK.

„Byla to zajímavá výzva přizpůsobit mnoho našich předchozích prací, které se zaměřovaly na splnění náročných technických parametrů, do uživatelsky přívětivého systému, který dává smysl a je pro lidi zábavný a snadno použitelný,“ říká Smith.

Například zvětšili design voxelů, aby mřížkové struktury byly pro lidské ruce snadněji sestavitelné a rozebíratelné. Také přidali hliníkové výztuhy, aby se zlepšila jejich pevnost a stabilita.

Kromě toho mají voxely VIK vratné, zacvakávací spojení, takže je uživatel může bez problémů sestavovat bez dalších nástrojů, na rozdíl od některých předchozích návrhů voxelů, které používaly nýty jako spojovací prostředky.

„Navrhli jsme plochy voxelů tak, aby umožňovaly pouze správná spojení. To znamená, že pokud stavíte z voxelů, máte zaručeno, že stavíte správný kabelový svazek. Jakmile dokončíte své zařízení, stačí ho zapojit a bude fungovat,“ říká Smith.

Kabelové svazky mohou významně zvýšit náklady na funkční systémy a často bývají zdrojem poruch.

Přístupná platforma pro prototypování

Aby tým pomohl uživatelům s minimálními inženýrskými zkušenostmi vytvářet širokou škálu interaktivních zařízení, vyvinuli uživatelsky přívětivé rozhraní pro simulaci 3D voxelových struktur.

Rozhraní zahrnuje simulační model metody konečných prvků (FEA), který umožňuje uživatelům nakreslit strukturu a simulovat síly a mechanické zatížení, které na ni budou působit. Do animace zařízení uživatele přidává barvy, aby identifikoval potenciální body selhání.

„Vytvořili jsme něco jako „Minecraft“ pro voxelové aplikace. K ověření, zda je struktura, kterou vytváříte, bezpečná, nepotřebujete znalosti stavebního inženýrství nebo analýzy příhradových konstrukcí. S VIK může stavět cokoli a mít v něj důvěru,“ říká Forman.

Uživatelé mohou do svého zařízení snadno integrovat i běžně dostupné moduly, jako jsou reproduktory, senzory nebo aktuátory. VIK klade důraz na flexibilitu, a umožňuje tvůrcům používat typy mikrokontrolérů, s nimiž se cítí dobře.

„Další vývoj elektroniky bude probíhat ve trojrozměrném prostoru a Voxel Invention Kit (VIK) je odrazovým můstkem, který umožní uživatelům, návrhářům a inovátorům vizualizovat a integrovat elektroniku přímo do struktur,“ říká Victor Zaderej, manažer pokročilých technologií balení elektroniky ve společnosti Molex, výrobci elektronických, elektrických a optických konektorových systémů. „VIK si představte jako spojení LEGO stavebnice a elektronického breadboardu. Pokud kreativní inženýři a designéři začnou přemýšlet o potenciálních aplikacích, budou možnosti a unikátní produkty, které to umožní, neomezené.“

Pomocí návrhového nástroje pro zpětnou vazbu může tvůrce rychle měnit konfiguraci voxelů, aby upravil prototyp, nebo rozebrat strukturu a postavit něco nového. Pokud si uživatel nakonec přeje zařízení zlikvidovat, hliníkové voxely jsou plně recyklovatelné.

Tato rekonfigurovatelnost a recyklovatelnost, spolu s vysokou pevností, vysokou tuhostí, nízkou hmotností a integrovanou elektronikou voxelů, by mohly učinit VIK obzvláště vhodným pro aplikace, jako je scénický design, kde realizační tým chce bezpečně a s proměnlivými kulisami podporovat herce, které by mohly existovat jen několik dní.

A umožněním rychlého prototypování velkých, složitých struktur by VIK mohl v budoucnu najít uplatnění i v oblastech, jako je vesmírná výroba nebo vývoj chytrých budov a inteligentní infrastruktury pro udržitelná města.

Pro výzkumníky je však možná nejdůležitějším dalším krokem dostat VIK do světa a zjistit, co s ním uživatelé vymyslí.

„Tyto voxely jsou nyní tak snadno dostupné, že je může používat kdokoli v běžném životě. Bude vzrušující vidět, co s nimi dokážou a co s VIK vytvoří,“ dodává Forman.