Возможно, потребуется изготовить несколько вариантов конструкции кресла с помощью 3D-печати и лазерной резки, что приведет к большому количеству отходов, прежде чем собирать каркас, прививать к нему датчики и другую хрупкую электронику, а затем подключать ее для создания рабочего устройства.

Если прототип потерпит неудачу, у производителя, скорее всего, не будет другого выбора, кроме как отказаться от него и вернуться к чертежной доске.

Исследователи Массачусетского технологического института придумали лучший способ итеративного проектирования больших и прочных интерактивных структур. Они разработали платформу быстрой разработки, которая использует реконфигурируемые строительные блоки со встроенной электроникой, которые могут быть собраны в сложные функциональные устройства. Вместо того чтобы встраивать электронику в структуру, электроника сама становится структурой.

Эти легкие трехмерные решетчатые строительные блоки, известные как вокселы, обладают высокой прочностью и жесткостью, а также интегрированными возможностями восприятия, отклика и обработки, которые позволяют пользователям, не имеющим опыта в области механики или электротехники, быстро создавать интерактивные электронные устройства.

Вокселы, которые можно собирать, разбирать и реконфигурировать практически бесконечно в различные формы, стоят около 50 центов каждый.

Платформа прототипирования, называемая VIK (Voxel Invention Kit), включает в себя удобный в использовании инструмент проектирования, который обеспечивает сквозное прототипирование, позволяя пользователю моделировать реакцию конструкции на механические нагрузки и повторять дизайн по мере необходимости.

"Речь идет о демократизации доступа к функциональным интерактивным устройствам. С VIK не требуется 3D-печать или лазерная резка. Если у вас есть только воксельные грани, вы можете создавать эти интерактивные структуры в любом месте, где захотите", - говорит Джек Форман, аспирант Массачусетского технологического института в области медиа-искусств и наук и филиал Центра битов и атомов Массачусетского технологического института (CBA) и Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института, а также соавтор исследования. статья о ВИКЕ.

К Форману присоединились соавтор статьи и аспирантка Миана Смит; аспирантка Амира Абдель-Рахман; и старший автор Нил Гершенфельд, профессор Массачусетского технологического института и директор CBA. Исследование будет представлено на конференции по человеческому фактору в вычислительных системах.

Функциональные строительные блоки

ВИК опирается на многолетнюю работу в CBA по разработке дискретных клеточных строительных блоков, называемых вокселами. Один воксель, алюминиевая кубооктаэдрическая решетка (имеющая восемь треугольных граней и шесть квадратных граней), достаточно прочен, чтобы выдержать 228 килограммов, или примерно вес вертикального пианино.

Вместо 3D-печати, фрезерования или лазерной резки вокселы собираются в крупномасштабные, прочные и долговечные конструкции, такие как компоненты самолетов или ветряные турбины, которые могут адаптироваться к окружающей среде.

Команда CBA объединила вокселы с другими работами в своей лаборатории, сосредоточенными на взаимосвязанных электрических компонентах, в результате чего появились вокселы со структурной электроникой. Сборка этих функциональных вокселов позволяет создавать структуры, которые могут передавать данные и мощность, а также механические воздействия без использования проводов.

Они использовали эти электромеханические строительные блоки для разработки VIK.

"Это была интересная задача - подумать об адаптации большей части нашей предыдущей работы, которая была направлена на достижение жестких инженерных показателей, в удобную для пользователя систему, которая имеет смысл и с которой людям весело и легко работать", - говорит Смит.

Например, они увеличили размеры воксельного дизайна, чтобы человеческим рукам было легче собирать и разбирать решетчатые конструкции. Они также добавили алюминиевые поперечные крепления к блокам, чтобы повысить их прочность и устойчивость.

Кроме того, вокселы VIK имеют обратимое защелкивающееся соединение, так что пользователь может легко собрать их без использования дополнительных инструментов, в отличие от некоторых предыдущих конструкций вокселов, в которых в качестве крепежных элементов использовались заклепки.

"Мы спроектировали грани вокселя таким образом, чтобы обеспечить только правильные соединения. Это означает, что, если вы строите с использованием вокселов, вы гарантированно создаете правильный жгут проводов. Как только вы закончите работу с вашим устройством, вы можете просто подключить его, и оно будет работать", - говорит Смит.

Жгуты проводов могут значительно увеличить стоимость функциональных систем и часто могут быть источником сбоев.

Доступная платформа для создания прототипов

Чтобы помочь пользователям, обладающим минимальными инженерными знаниями, создавать широкий спектр интерактивных устройств, команда разработала удобный интерфейс для моделирования 3D-воксельных структур.

Интерфейс включает в себя имитационную модель анализа конечных элементов (FEA), которая позволяет пользователям нарисовать конструкцию и смоделировать силы и механические нагрузки, которые будут к ней приложены. Он добавляет цвета к анимации пользовательского устройства, чтобы определить потенциальные точки отказа.

"Мы создали то, что по сути является "Майнкрафтом" для воксельных приложений. Вам не нужно хорошо разбираться в гражданском строительстве или анализе ферменных конструкций, чтобы убедиться в безопасности возводимой вами конструкции. Любой может создать что-то с помощью VIK и быть уверенным в этом", - говорит Форман.

Пользователи также могут легко интегрировать в свое устройство готовые модули, такие как динамики, датчики или исполнительные механизмы. VIK подчеркивает гибкость, позволяя производителям использовать те типы микроконтроллеров, которые им удобны.

Используя инструмент проектирования для обратной связи, разработчик может быстро изменить конфигурацию вокселей, чтобы скорректировать прототип, или разобрать структуру, чтобы создать что-то новое. Если пользователь в конечном итоге пожелает выбросить устройство, алюминиевые вокселы полностью пригодны для вторичной переработки.

Такая реконфигурируемость и возможность вторичной переработки, наряду с высокой прочностью, высокой жесткостью, малым весом и встроенной электроникой вокселов, могут сделать VIK особенно подходящим для таких применений, как театральный дизайн сцены, где режиссеры хотят безопасно поддерживать актеров с помощью настраиваемых декораций, которые могут существовать всего несколько дней.

А благодаря возможности быстрого прототипирования крупных и сложных конструкций, VIK также может найти применение в таких областях, как космическое производство или разработка интеллектуальных зданий и интеллектуальной инфраструктуры для устойчивых городов.

Но для исследователей, возможно, самым важным следующим шагом будет вывести VIK в мир, чтобы посмотреть, что придумают пользователи.

"Эти воксели теперь настолько легкодоступны, что кто-то может использовать их в своей повседневной жизни. Будет интересно посмотреть, на что они способны вместе с ВИКОМ", - добавляет Форман.