Dal MIT dei CurveBoards stampati in 3D

MIT CSAIL utilizza CurveBoards stampati in 3D per integrare l’elettronica nei prototipi fisici
Aprendo la strada a uno sviluppo più rapido di dispositivi intelligenti ed elettronica flessibile

I ricercatori del MIT hanno inventato un modo per integrare “breadboard” – piattaforme piatte ampiamente utilizzate per la prototipazione elettronica – direttamente sui prodotti fisici. Lo scopo di questi CurveBoards stampati in 3D è di fornire un modo più rapido e semplice per testare le funzioni dei circuiti e le interazioni dell’utente con prodotti come dispositivi intelligenti ed elettronica flessibile.

Le breadboard sono tavole rettangolari con matrici di fori di spillo perforati nella superficie. Molti fori hanno connessioni metalliche e punti di contatto tra loro. Gli ingegneri possono collegare componenti di sistemi elettronici – dai circuiti di base ai processori per computer completi – nei fori dove vogliono che si connettano. Quindi, possono rapidamente testare, riorganizzare e ripetere il test dei componenti secondo necessità.

Ma le breadboard sono rimaste la stessa forma per decenni. Per questo motivo, è difficile testare come appariranno e sentiranno l’elettronica, per esempio, i dispositivi indossabili e i vari dispositivi intelligenti. Generalmente, le persone testano prima i circuiti su breadboard tradizionali, quindi li schiaffeggiano su un prototipo di prodotto. Se il circuito deve essere modificato, torna alla breadboard per i test e così via.

In un documento presentato al CHI (Conferenza sui fattori umani nei sistemi informatici), i ricercatori descrivono “CurveBoards”, oggetti stampati in 3D con la struttura e la funzione di una breadboard integrata sulle loro superfici. Il software personalizzato progetta automaticamente gli oggetti, completi di fori di spillo distribuiti che possono essere riempiti con silicone conduttivo per testare l’elettronica. I prodotti finali sono rappresentazioni accurate della realtà, ma con superfici taglienti.

CurveBoards “preserva l’aspetto di un oggetto”, scrivono i ricercatori nel loro articolo, consentendo ai progettisti di provare configurazioni dei componenti e testare scenari interattivi durante le iterazioni di prototipazione. Nel loro lavoro, i ricercatori hanno stampato CurveBoards per braccialetti e orologi intelligenti, frisbee, caschi, cuffie, una teiera e un e-reader flessibile e indossabile.

“Su breadboard, prototipi la funzione di un circuito. Ma non hai un contesto nella sua forma: come l’elettronica verrà utilizzata in un ambiente prototipo nel mondo reale ”, afferma il primo autore Junyi Zhu, uno studente laureato nel Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). “La nostra idea è di colmare questa lacuna e unire test di forma e funzione nelle primissime fasi di prototipazione di un oggetto. … CurveBoards essenzialmente aggiunge un asse aggiuntivo agli assi XYZ [tridimensionali] esistenti dell’oggetto – l’asse ‘funzione’. ”

Ad unirsi a Zhu sulla carta ci sono gli studenti laureati CSAIL Lotta-Gili Blumberg, Martin Nisser e Ethan Levi Carlson; Studenti universitari del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) Jessica Ayeley Quaye e Xin Wen; ex studenti universitari della EECS Yunyi Zhu e Kevin Shum; e Stefanie Mueller, professore assistente allo sviluppo della carriera del consorzio X-Window in EECS.

Software e hardware personalizzati
Un componente chiave di CurveBoard è il software di modifica del design personalizzato. Gli utenti importano un modello 3D di un oggetto. Quindi, selezionano il comando “genera fori di spillo” e il software mappa automaticamente tutti i fori di spillo uniformemente sull’oggetto. Gli utenti quindi scelgono layout automatici o manuali per i canali di connettività. L’opzione automatica consente agli utenti di esplorare un diverso layout di connessioni attraverso tutti i fori di spillo con un clic di un pulsante. Per i layout manuali, è possibile utilizzare strumenti interattivi per selezionare gruppi di fori di spillo e indicare il tipo di connessione tra di essi. Il disegno finale viene esportato in un file per la stampa 3D.

Quando viene caricato un oggetto 3D, il software forza essenzialmente la sua forma in una “maglia quadrata” – dove l’oggetto viene rappresentato come un gruppo di piccoli quadrati, ciascuno con parametri individuali. In tal modo, crea una spaziatura fissa tra i quadrati. I fori di spillo – che sono coni, con l’estremità larga in superficie e rastremata verso il basso – saranno posizionati in ciascun punto in cui gli angoli dei quadrati si toccano. Per i layout dei canali, alcune tecniche geometriche assicurano che i canali scelti collegheranno i componenti elettrici desiderati senza incrociarsi tra loro.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno stampato oggetti in 3D utilizzando un silicone flessibile, resistente e non conduttivo. Per fornire canali di connettività, hanno creato un silicone conduttivo personalizzato che può essere siringato nei fori e quindi scorre attraverso i canali dopo la stampa. Il silicone è una miscela di materiali siliconici progettati per avere una resistenza elettrica minima, consentendo il funzionamento di vari tipi di elettronica.

Per convalidare i CurveBoards, i ricercatori hanno stampato una varietà di prodotti intelligenti. Le cuffie, ad esempio, sono state dotate di controlli di menu per altoparlanti e funzionalità di streaming musicale. Un braccialetto interattivo comprendeva un display digitale, LED e fotoresistenza per il monitoraggio della frequenza cardiaca e un sensore di conteggio dei passi. Una teiera includeva una piccola fotocamera per tracciare il colore del tè, nonché luci colorate sulla maniglia per indicare le aree calde e fredde. Hanno anche stampato un lettore di e-book da indossare con un display flessibile.

Prototipazione migliore e più veloce


CurveBoards stampati in 3D
Le CurveBoards sono breadboard 3D – che vengono comunemente utilizzate per prototipare circuiti – che possono essere progettate da software personalizzato, stampato in 3D e integrato direttamente nella superficie di oggetti fisici, come orologi intelligenti, bracciali, caschi, cuffie e persino elettronica flessibile. CurveBoards può offrire ai progettisti un’ulteriore tecnica di prototipazione per valutare meglio l’aspetto e la percezione dei circuiti sui prodotti fisici con cui gli utenti interagiscono.


In uno studio utente, il team ha studiato i vantaggi della prototipazione di CurveBoards. Hanno diviso sei partecipanti con diverse esperienze di prototipazione in due sezioni: una utilizzava breadboard tradizionali e un oggetto stampato in 3D, mentre l’altra utilizzava solo una CurveBoard dell’oggetto. Entrambe le sezioni hanno progettato lo stesso prototipo ma sono passati da una sezione all’altra dopo aver completato le attività designate. Alla fine, cinque su sei dei partecipanti hanno preferito la prototipazione con CurveBoard. Il feedback ha indicato che i CurveBoards erano complessivamente più veloci e più facili da lavorare.

Ma i CurveBoards non sono progettati per sostituire le breadboard, affermano i ricercatori. Invece, avrebbero funzionato particolarmente bene come un cosiddetto passaggio di “midfidelity” nella cronologia dei prototipi, ovvero tra i test iniziali della breadboard e il prodotto finale. “Le persone adorano le breadboard e ci sono casi in cui possono essere utilizzate”, afferma Zhu. “Questo è quando hai un’idea dell’oggetto finale e vuoi vedere, diciamo, come le persone interagiscono con il prodotto. È più facile avere un CurveBoard invece di circuiti sovrapposti a un oggetto fisico. ”

Successivamente, i ricercatori sperano di progettare modelli generali di oggetti comuni, come cappelli e bracciali. In questo momento, un nuovo CurveBoard deve essere creato per ogni nuovo oggetto. I modelli già pronti, tuttavia, consentirebbero ai progettisti di sperimentare rapidamente i circuiti di base e l’interazione dell’utente, prima di progettare il loro CurveBoard specifico.

Inoltre, i ricercatori vogliono spostare alcuni passaggi di prototipazione nella fase iniziale interamente dal lato software. L’idea è che le persone possano progettare e testare i circuiti – e possibilmente l’interazione dell’utente – interamente sul modello 3D generato dal software. Dopo molte iterazioni, possono stampare in 3D un CurveBoard più finalizzato. “In questo modo saprai esattamente come funzionerà nel mondo reale, consentendo la prototipazione rapida”, afferma Zhu. “Sarebbe un passo più” ad alta fedeltà “per la prototipazione.”

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