Auf dem Weg zu einem flexibleren und schnelleren Prototyping elektronischer Geräte

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Ganz gleich, ob Sie ein neuer Mitarbeiter, ein Turner oder ein Hersteller flexibler Strohhalme sind, eine Eigenschaft ist auf ganzer Linie ideal: Flexibilität. Das Gleiche gilt jetzt auch für das Prototyping elektronischer Geräte. Während Designer ihre Entwürfe normalerweise auf „Steckbrettern“ oder dünnen Kunststoffplatten testen, die elektronische Komponenten zusammenhalten können, sind diese oft steif und langsam. Unter Berücksichtigung der Steifigkeit dieser elektronischen Rückgrate entwickelten MIT-Forscher „FlexBoard“, ein flexibles Steckbrett, das ein schnelles Prototyping von Objekten mit interaktiven Sensoren, Aktoren und Displays auf gekrümmten und verformbaren Oberflächen wie einem Ball oder Kleidung ermöglicht.

Um die Vielseitigkeit der Plattform bei verschiedenen Gegenständen zu veranschaulichen, testeten die Forscher sie an Kettlebells, Videospiel-Controllern und Handschuhen und stellten fest, dass Sensoren und Displays an den elektronischen Komponenten in jedem ihrer Scharniere befestigt werden können. Das Team fügte den Kettlebells Sensoren und LEDs hinzu, die erfolgreich erkannten, ob Benutzer bei ihren Schwungübungen die richtige Form anwendeten. Das Display wiederum zeigte rot an, wenn es falsch gemacht wurde, oder grün, wenn es richtig ausgeführt wurde, sowie die Anzahl der Wiederholungen. In Zukunft könnte die Plattform durch die Bereitstellung dieses Feedbacks die Fitnessroutinen verbessern.

Das Design des Steckbretts besteht aus einem dünnen Kunststoff, der zwei Teile aus demselben Material verbindet, um die Flexibilität zu erhöhen. Dieses „lebende Scharniermuster“ findet sich in den Verschlüssen von Gewürzflaschen und den Rücken von Kunststoff-Disc-Hüllen, die die elektronischen Komponenten von FlexBoard zusammenhalten. Das Design kann mit einem handelsüblichen 3D-Drucker reproduziert werden, wodurch FlexBoards hergestellt werden, die an einen Gegenstand genäht oder mit Epoxidkleber oder Klettband befestigt werden können.

Dieses praktische Design öffnet die Tür zu schneller anpassbaren Schnittstellen. „Eine grundlegende Entwicklung in unserer modernen Welt besteht darin, dass wir überall und jederzeit mit digitalen Inhalten interagieren können, was durch allgegenwärtige interaktive Geräte ermöglicht wird“, sagt Forschungsautor Michael Wessely, frischgebackener Postdoktorand am MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). der jetzt Assistenzprofessor an der Universität Aarhus ist. „FlexBoard unterstützt das Design dieser Geräte, indem es eine vielseitige und schnelle Interaktions-Prototyping-Plattform ist. Unsere Plattform ermöglicht es Designern außerdem, schnell verschiedene Konfigurationen von Sensoren, Displays und anderen interaktiven Komponenten zu testen, was zu schnelleren Produktentwicklungszyklen und benutzerfreundlicheren und zugänglicheren Designs führen könnte.“

FlexBoard kann auch Virtual-Reality-Gaming durch Controller und Handschuhe verbessern. Das Team installierte ein Kollisionswarnsystem auf den Controllern, das Spieler mit einem VR-Headset warnt, wenn sie Gefahr laufen, mit ihrer Umgebung zusammenzustoßen. Den verformbaren Handschuhen wurden Sensoren und Motoren hinzugefügt, um Gesten zu erfassen und so die Interaktionen der Spieler im Spiel zu beeinflussen.

Jedes Steckbrett ist wiederverwendbar und selbstklebend, was bedeutet, dass es wiederholtem Biegen sowohl nach oben als auch nach unten standhält und dabei vollständig an den Prototypen befestigt bleibt, an denen es getestet wurde. Wessely und das Team bewerteten die Haltbarkeit von FlexBoard durch 1.000-maliges Biegen und stellten fest, dass die Steckbretter voll funktionsfähig blieben, ohne danach zu brechen. Diese bidirektionale Flexibilität hilft der Plattform, sich an Gegenständen mit gebogenem Design anzubringen, was FlexBoard zu einer praktischen Prototyping-Plattform für Hersteller macht, die mit unterschiedlicher Hardware experimentieren, um neue elektronische Gegenstände zu erstellen.

Benutzer können die langen Steckbrettstreifen in kleinere Segmente schneiden, um kleinere Gegenstände zu erhalten, oder mehrere an Prototypen größerer Gegenstände anbringen. Beispielsweise könnten mehrere FlexBoards um einen Tennisschläger gewickelt werden und so den Erfassungsbereich der Sensoren bei der Messung der Geschwindigkeit eines Volleyschusses erweitern.

Die Anpassungsfähigkeit der Plattform an verschiedene Oberflächen kann den elektronischen Prototyping-Prozess rationalisieren. „Beim Entwerfen neuer interaktiver Geräte, Benutzeroberflächen oder der meisten elektronischen Produkte behandeln wir die Objektform und die elektronischen Funktionen normalerweise als zwei separate Aufgaben, was es schwierig macht, den Prototyp in seiner Nutzungsumgebung in einem frühen Stadium zu testen, und dazu führen kann Integrationsprobleme werden sich später ergeben“, fügt Junyi Zhu hinzu, MIT-Doktorand in Elektrotechnik und Informatik und CSAIL-Partner. „FlexBoards gehen diese Probleme mit verbesserten, wiederverwendbaren flexiblen Steckbrettern an, die die aktuelle Pipeline für das Prototyping interaktiver Geräte beschleunigen und eine neue und wertvolle Prototyping-Plattform für die Low-Power-Elektronikdesign- und DIY-Community (Do-it-yourself) bieten.“

In Zukunft könnte FlexBoard Trainingsgeräte, Küchengeräte, Möbel und andere Haushaltsgegenstände interaktiver machen. Dennoch erkennt das Team an, dass seine Plattform weiter optimiert werden muss, was eine verbesserte Biegsamkeit, Haltbarkeit und Festigkeit durch Multimaterialdruck erfordert. Darüber hinaus ist jedes Steckbrett für FDM-Drucker konzipiert, eine handelsübliche 3D-Fertigungsmaschine, die die Länge begrenzt und die Druckzeit von FlexBoards verlängert. Die Klemmleisten erfordern außerdem eine manuelle Montage und machen das Prototyping biegsamer Objekte zu einer Herausforderung.

„Da viele Forscher die Diversifizierung der Materialeigenschaften untersucht haben, fragten wir uns, warum das Steckbrett starr bleibt“, sagt Donghyeon Ko, ein weiterer Autor der Arbeit und ehemaliger Gastdoktorand des MIT am Korea Advanced Institute of Science and Technology. „Wir wollten Alltagsgegenstände steckbretttauglich machen und gleichzeitig formverändernde Schnittstellen entwickeln.“

Wessely, Zhu und Ko haben zusammen mit Stefanie Mueller, einer CSAIL-Partnerin und außerordentlichen Professorin in den MIT-Abteilungen für Elektrotechnik, Informatik und Maschinenbau, und Yoonji Kim, einem Assistenzprofessor am College of Art and Technology, einen Artikel über die Arbeit geschrieben an der Chung-Ang-Universität. Die Forschung des Teams wurde durch einen Zuschuss der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, der von der koreanischen Regierung, dem Bildungsministerium der Republik Korea und der National Research Foundation of Korea finanziert wurde.

FlexBoard wurde im April auf der CHI-Konferenz 2023 zu Human Factors in Computing Systems vorgestellt.

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