Einige 3D-gedruckte Objekte lassen sich nun „fühlen“, da Sensoren mithilfe einer neuen Technologie direkt in das Material integriert werden. Eine neue Studie ergab, dass diese Forschung zur Entwicklung neuartiger interaktiver Geräte, wie beispielsweise intelligenter Möbel, führen könnte.
Diese neue Technologie nutzt Metamaterialien – Substanzen, die aus einem Gitter sich wiederholender Einheiten bestehen – zum 3D-Druck von Objekten. Wird eine Kraft auf ein flexibles Metamaterial ausgeübt, dehnen oder stauchen sich einige seiner Zellen. Die in diese Strukturen integrierten Elektroden erfassen Ausmaß und Richtung dieser Formänderungen sowie Rotation und Beschleunigung.
In dieser neuen Studie stellten die Forscher Objekte aus flexiblem Kunststoff und leitfähigen Filamenten her. Diese weisen Zellen mit einem Durchmesser von nur 5 mm auf.
Jede Zelle besitzt zwei gegenüberliegende Wände aus leitfähigen Filamenten und nichtleitendem Kunststoff. Die leitfähigen Wände dienen als Elektroden. Die auf ein Objekt wirkende Kraft verändert den Abstand und die Überlappungsfläche zwischen den gegenüberliegenden Elektroden und erzeugt so ein elektrisches Signal, das detaillierte Informationen über die einwirkende Kraft liefert. Der Mitautor des Forschungsberichts erklärte, dass diese neue Technologie auf diese Weise „Sensorik nahtlos und unauffällig in gedruckte Objekte integrieren“ kann.
Forscher geben an, dass diese Metamaterialien Designern helfen können, flexible Eingabegeräte für Computer schnell zu entwickeln und anzupassen. Beispielsweise nutzten sie diese Metamaterialien, um einen Musikcontroller zu entwickeln, der der Form einer menschlichen Hand angepasst ist. Drückt der Benutzer einen der flexiblen Knöpfe, steuert das erzeugte elektrische Signal einen digitalen Synthesizer.
Die Wissenschaftler entwickelten außerdem einen Joystick aus Metamaterial, um Pac-Man zu spielen. Indem sie verstehen, wie Menschen auf diesen Joystick Kraft ausüben, können Designer einzigartige Griffformen und -größen für Menschen mit eingeschränkter Greifkraft in bestimmten Richtungen entwerfen.
Der Mitautor des Forschungsberichts sagte: „Wir können Bewegung in jedem 3D-gedruckten Objekt wahrnehmen. Von Musik bis hin zu Spieloberflächen ist das Potenzial wirklich aufregend.“
Forscher haben außerdem eine 3D-Bearbeitungssoftware namens MetaSense entwickelt, die Nutzern hilft, interaktive Geräte mithilfe dieser Metamaterialien zu erstellen. Sie simuliert, wie sich ein 3D-gedrucktes Objekt unter Einwirkung verschiedener Kräfte verformt, und berechnet, welche Zellen sich am stärksten verändern und sich am besten als Elektroden eignen.
MetaSense ermöglicht es Designern, Strukturen mit integrierten Sensoren in einem Arbeitsgang per 3D-Druck herzustellen. Dadurch wird die Prototypenerstellung von Geräten wie Joysticks extrem beschleunigt, die individuell an die Bedürfnisse von Menschen mit unterschiedlichen Barrierefreiheitsanforderungen angepasst werden können.
Durch die Integration hunderter oder tausender Sensoren in ein Objekt lassen sich hochauflösende Echtzeitanalysen der Nutzerinteraktionen realisieren. So kann beispielsweise ein intelligenter Stuhl aus diesem Metamaterial die Körperhaltung des Nutzers erfassen und daraufhin Licht oder Fernseher einschalten oder Daten für spätere Analysen sammeln, etwa zur Erkennung und Korrektur der Körperhaltung. Diese Metamaterialien könnten auch in tragbaren Anwendungen Verwendung finden.
Veröffentlichungsdatum: 27. September 2021
