Датчики больше не нужны: «умные» конструкции из метаматериалов
Повторяющиеся паттерны структуры метаматериалов помогают определить их свойства и функции. Подбирая различные конфигурации, инженеры реализуют, казалось бы, невозможное — например, так была создана сверхширокий объектив типа «рыбий глаз», которая при этом является совершенно плоской; а еще этот метод помог получить структуры, обеспечивающие акустическую левитацию.
«Метаматериалы могут поддерживать различные механические функции», — объяснил соавтор статьи о новой разработке Джун Гун. «Но если мы создадим дверную ручку из метаматериала, можем ли мы отследить, что она поворачивается? И если да, то на сколько градусов? Если у задачи, которые вы поставили, есть особые требования к чувствительности, наша разработка позволит вам настроить механизм в соответствии с необходимыми параметрами».
Отметив, что при приложении силы к структуре из метаматериала некоторые стенки ячеек будут изгибаться, инженеры напечатали на 3D-принтере джойстик, состоящий из гибких ячеек. Большинство из них были напечатаны с использованием непроводящей нити, но у тех, что расположены вокруг основания ручки, противоположные стенки сделаны из токопроводящей нити в конфигурации, называемой токопроводящими ячейками сдвига.
Используя емкостное зондирование, можно измерить изменения расстояния и перекрытия между противоположными проводящими электродами, чтобы «вычислить величину и направление приложенных сил, а также сил вращения и ускорения». В качестве демонстрации эти значения были впоследствии преобразованы в входы вверх / вниз / влево / вправо для игры Pac-Man:
Команда также разработала программное обеспечение под названием MetaSense, которое может позволить дизайнерам создавать чувствительные объекты, автоматически определяя оптимальные местоположения в моделируемой структуре метаматериала для размещения проводящих ячеек.
«Инструмент моделирует то, как объект будет деформироваться при приложении различных сил, а затем использует эту смоделированную деформацию для расчета того, расстояние между какими ячейками будет изменяться максимально сильно», — пояснил Гонг. «Ячейки, которые деформируются сильнее всего, являются оптимальными кандидатами на роль проводящих элементов».
Исследователи видят применение своей разработки в самых разных областях. Например, из метаматериалов можно изготавливать мебель, которая сможет почувствовать, когда хозяин присел на стул, чтобы включить в комнате свет, телевизор и другую электронику. Более того, такая мебель сможет отслеживать положение тела владельца, адаптируясь под его позу для обеспечения максимального комфорта (а может – помогая сохранять осанку тем, кто привык сутулиться за столом).
Ученые напечатали на 3D-принтере структуры из метаматериалов с интегрированными электродами, чтобы позволить объектам взаимодействовать с пользователем напрямую, без использования сторонних систем