Многие интерактивные объекты меняют внешний вид за счёт электроники — светодиодов и экранов. Но стоит сжать, скрутить или слишком сильно надавить на такой объект, либо подвергнуть его воздействию воды или химикатов, и электроника выходит из строя. Поверхностная оптика способна менять облик без хрупких схем, однако её интерактивность ограничена: статичные наклейки или изогнутые линзы создают визуальные эффекты лишь в зависимости от направления взгляда.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) создали новую систему 3D-печати для изготовления интерактивных объектов, которые меняют внешний вид без электроники — при повороте, нажатии или сдвиге. Их разработка ShiftLens использует небольшие контролируемые механические смещения, объединяя встроенные механические детали со специально расположенными оптическими слоями. Поверхность объекта меняется в ответ на действия пользователя: переключатель, завинчивание крышки или сдвиг. Готовые изделия, например упаковка, сигнализирующая о незакреплённых креплениях, печатаются на мультиматериальной машине и не требуют электрических цепей.
«С нашей системой объект сам сообщает, правильно ли вы его используете, без датчиков и сложной электроники, — объяснил Юньи Чжу, аспирант кафедры электротехники и компьютерных наук MIT (EECS) и ведущий автор статьи о ShiftLens. — Интерактивный дисплей механический, поэтому можно создать автономное устройство с несколькими состояниями, которым пользователь управляет интуитивно».
В числе соавторов — Диннин Цао, студентка MIT; Джереми Мжиглоцки, аспирант Мюнхенского технического университета; Стефани Мюллер, доцент EECS и кафедры машиностроения MIT, член Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL); и Нарджес Пурджафариан, постдок Северо-Восточного университета.
Система автоматически преобразует дизайн в 3D-печатную модель объекта «с механически переключаемым внешним видом поверхности». Для этого разработчики объединили два оптических слоя на поверхности: слой крошечных линз Френеля поверх узорчатой подложки. Изогнутые линзы по-разному направляют свет в зависимости от угла обзора. Узорчатая подложка содержит полосы изображений, соответствующие разным состояниям поверхности.
При сдвиге верхнего слоя линз подложка открывает разные фрагменты. Линзы увеличивают эти участки, и внешний вид объекта меняется. Пример — дверная табличка, переключающаяся между двумя надписями при перевороте. Другой пример — бутылка с химикатами, меняющая цвет при неправильно закрытой крышке. Такая бутылка могла бы серьёзно помочь в конце долгого дня в лаборатории, когда от усталости выполняешь финальные задачи на автопилоте. Именно в такие моменты случаются ошибки. Физическое изменение цвета при ненадёжно закреплённых опасных материалах внутри — потенциально спасительная функция.
По словам Чжу, сложнее всего было добиться согласованной работы движущегося оптического эффекта, вычислительной графики и механических связей. Чтобы упростить задачу другим, команда разработала удобный инструмент, который выполняет основную работу. На основе нескольких входных параметров — желаемых кривых и формы объекта, а также изображений визуальных состояний — инструмент автоматически создаёт оптимальную структуру ShiftLens.
«Чтобы сделать переходы надёжными, мы вводим механизмы привода, которые преобразуют нажатие, сдвиг и вращение в воспроизводимые изменения поверхности. Мы также создали вычислительный инструмент проектирования, который принимает 3D-геометрию, желаемый внешний вид и тип привода, и автоматически генерирует геометрию линз, узоров и приводного механизма для одноэтапной мультиматериальной 3D-печати», — написали исследователи в аннотации статьи.
Сложно было и объяснять пользователям ограничения инструмента ShiftLens.
«Ещё одна задача — общение с людьми, не знакомыми с оптикой или механическими конструкциями, чтобы они могли сформулировать и реализовать свои идеи», — добавил Чжу.
Поскольку для взаимодействия слоёв требуется сдвиговое движение, ShiftLens подходит не для всех объектов. Система лучше всего работает при проектировании изделия с уже встроенным нужным взаимодействием — например, вращающейся помады — либо при интеграции приводного механизма вроде ручки, ролика или переключателя. Как пояснил Чжу, пользователи ShiftLens «могут контролировать внешний вид объекта во время использования».
Чтобы доказать потенциал системы, исследователи напечатали на 3D-принтере несколько интерактивных объектов, включая ту самую меняющую цвет бутылку.
Систему ShiftLens разработали для упрощения производства для makers, но в перспективе её можно масштабировать для создания адаптивных интерактивных объектов в архитектуре, коммерции и промышленности. Чжу привёл пример: платформа позволяет спроектировать 3D-печатные трубы, меняющие внешний вид для указания места утечки. Как и бутылка с химикатами, такое применение выглядит крайне полезным.
Исследователи представят работу на симпозиуме ACM Symposium on User Interface Software and Technology в Детройте. Они также планируют разработать алгоритм, упрощающий процесс проектирования ShiftLens за счёт сокращения числа пользовательских вводов.
Применение в России и СНГ
Для российского рынка подобные системы открывают интересные перспективы в машиностроении и приборостроении. Механические оптические индикаторы без электроники востребованы там, где чувствительная электроника отказывает: агрессивные среды, высокие температуры, вибрации. Отечественные предприятия и интеграторы аддитивных технологий уже работают с мультиматериальной печатью и линзовыми структурами. Переключаемые поверхности могли бы найти применение в маркировке трубопроводов, контрольных элементах оснастки и упаковке ответственных компонентов. Технология интересна и для образовательных проектов по реверс-инжинирингу, где важно наглядно демонстрировать принципы механики и оптики без сложной электроники.