Forskere udvikler 3-D-printede objekter, der kan spore og gemme, hvordan de bruges

Billig og nemt at tilpasse, 3-D-printede enheder er perfekte til hjælpeteknologi, som proteser eller "smarte" pilleflasker, der kan hjælpe patienter med at huske at tage deres daglige medicin.

Men disse plastikdele har ikke elektronik, hvilket betyder, at de ikke kan overvåge, hvordan patienterne bruger dem.

Nu har ingeniører ved University of Washington udviklet 3-D-printede enheder, der kan spore og gemme deres eget brug - uden at bruge batterier eller elektronik. I stedet, dette system bruger en metode kaldet backscatter, hvorigennem en enhed kan dele information ved at reflektere signaler, der er blevet transmitteret til den med en antenne.

"Vi er interesserede i at gøre tilgængelig hjælpeteknologi med 3-D-print, men vi har ingen nem måde at vide, hvordan folk bruger det, " sagde medforfatter Jennifer Mankoff, en professor ved UW's Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering. "Kunne vi finde på en kredsløbsløs løsning, der kunne printes på forbrugerkvalitet, hyldeprintere og tillade selve enheden at indsamle oplysninger? Det er, hvad vi viste, var muligt i denne avis."

UW-teamet vil præsentere sine resultater den 15. oktober på ACM Symposium om brugergrænsefladesoftware og -teknologi i Berlin.

Tidligere udviklede holdet de første 3D-printede objekter, der forbinder til Wi-Fi uden elektronik. Disse rent plastik enheder kan måle, om en vaskemiddelflaske er ved at løbe tør, og derefter automatisk bestille mere online.

"At bruge plastik til disse applikationer betyder, at du ikke behøver at bekymre dig om, at batterierne løber tør, eller at din enhed bliver våd. Det kan ændre den måde, vi tænker på computere, " sagde seniorforfatter Shyam Gollakota, en lektor i Allen-skolen. "Men hvis vi virkelig ønsker at transformere 3D-printede objekter til smarte objekter, vi har brug for mekanismer til at overvåge og gemme data."

Forskerne tacklede overvågningsproblemet først. I deres tidligere undersøgelse, deres system sporer bevægelse i én retning, som fungerer godt til overvågning af vaskemiddelniveauer eller måling af vind- eller vandhastighed. Men nu skulle de lave genstande, der kunne overvåge tovejsbevægelser som åbning og lukning af en pilleflaske.

"Sidste gang, vi havde et gear, der drejede i én retning. Mens væske strømmede gennem gearet, det ville trykke en kontakt ned for at kontakte antennen, " sagde hovedforfatter Vikram Iyer, en ph.d.-studerende i UW Department of Electrical &Computer Engineering. "Denne gang har vi to antenner, en ovenpå og en forneden, der kan kontaktes af en kontakt, der er fastgjort til et gear. Så åbning af en hætte på en pilleflaske flytter gearet i én retning, som trykker på kontakten for at kontakte en af ​​de to antenner. Og ved at lukke pilleflaskens låg drejes gearet i den modsatte retning, og kontakten rammer den anden antenne."

Begge antenner er identiske, så holdet måtte udtænke en måde at afkode, hvilken retning hætten bevægede sig.

"Tandhjulets tænder har en specifik sekvens, der koder for en besked. Det er ligesom morsekode, " sagde medforfatter Justin Chan, en ph.d.-studerende i Allen-skolen. "Så når du drejer hætten i én retning, du ser beskeden fremadrettet. Men når du drejer hætten i den anden retning, du får en omvendt besked."

Ud over sporing, for eksempel, bevægelse af pilleflaskehætten, den samme metode kan bruges til at overvåge, hvordan folk bruger proteser, såsom 3-D printede e-NABLE arme. Disse mekaniske hænder, som fæstnes ved håndleddet, er designet til at hjælpe børn med håndabnormiteter med at gribe genstande. Når børn bøjer deres håndled, kabler på hånden strammes for at få fingrene til at lukke. Så teamet 3-D printede en e-NABLE-arm med en prototype af deres tovejssensor, der overvåger håndens åbning og lukning ved at bestemme håndleddets vinkel.

Forskerne ønskede også at skabe et 3-D-printet objekt, der kunne gemme dets brugsoplysninger, mens det var uden for Wi-Fi-rækkevidde. For denne ansøgning, de valgte en insulinpen, der kunne overvåge brugen og derefter signalere, hvornår den var ved at være lav.

"Du kan stadig tage insulin, selvom du ikke har en Wi-Fi-forbindelse, " sagde Gollakota. "Så vi havde brug for en mekanisme, der gemmer, hvor mange gange du har brugt den. Når du er tilbage i rækken, du kan uploade de lagrede data til skyen."

Denne metode kræver en mekanisk bevægelse, som et tryk på en knap, og gemmer den information ved at rulle en fjeder op inde i en skralde, der kun kan bevæge sig i én retning. Hver gang nogen trykker på knappen, fjederen bliver strammere. Den kan ikke slappe af, før brugeren slipper skralden, forhåbentlig, når den er inden for rækkevidde af backscatter-sensoren. Derefter, som foråret slapper af, den flytter et gear, der udløser en kontakt til at kontakte en antenne gentagne gange, mens gearet drejer. Hver kontakt tælles for at bestemme, hvor mange gange brugeren har trykket på knappen.

Disse enheder er kun prototyper for at vise, at det er muligt for 3-D-printede materialer at registrere tovejsbevægelser og gemme data. Den næste udfordring bliver at tage disse koncepter og krympe dem, så de kan indlejres i rigtige pilleflasker, proteser eller insulinpenne, sagde Mankoff.

"Dette system vil give os et bedre billede af, hvad der foregår, sagde hun. "F.eks. lige nu har vi ikke mulighed for at spore, om og hvordan folk bruger e-NABLE-hænder. I sidste ende, hvad jeg gerne vil gøre med disse data, er at forudsige, om folk vil forlade en enhed eller ej baseret på, hvordan de bruger den."