Integrering af elektronik i fysiske prototyper

MIT-forskere har opfundet en måde at integrere "breadboards" - flade platforme, der i vid udstrækning bruges til elektronikprototyping - direkte på fysiske produkter. Målet er at give en hurtigere, nemmere måde at teste kredsløbsfunktioner og brugerinteraktioner med produkter som smarte enheder og fleksibel elektronik.

Breadboards er rektangulære brædder med arrays af nålehuller boret ind i overfladen. Mange af hullerne har metalforbindelser og kontaktpunkter imellem dem. Ingeniører kan tilslutte komponenter af elektroniske systemer – fra grundlæggende kredsløb til komplette computerprocessorer – ind i pinholes, hvor de vil have dem til at forbinde. Derefter, de kan hurtigt teste, omarrangere, og gentest komponenterne efter behov.

Men brødbrætter har forblevet den samme form i årtier. Af den grund, det er svært at teste, hvordan elektronikken vil se ud og føles på, sige, wearables og forskellige smarte enheder. Generelt, folk vil først teste kredsløb på traditionelle breadboards, derefter smække dem på en produktprototype. Hvis kredsløbet skal ændres, det er tilbage til brødbrættet til test, og så videre.

I et papir, der præsenteres på CHI (Conference on Human Factors in Computing Systems), forskerne beskriver "CurveBoards, " 3-D-printede objekter med strukturen og funktionen af ​​et brødbræt integreret på deres overflader. Brugerdefineret software designer automatisk objekterne, komplet med fordelte nålehuller, der kan fyldes med ledende silikone for at teste elektronik. Slutprodukterne er nøjagtige repræsentationer af den ægte vare, men med brødpladeoverflader.

CurveBoards "bevarer et objekts udseende og følelse, " skriver forskerne i deres papir, samtidig med, at designere kan afprøve komponentkonfigurationer og teste interaktive scenarier under prototype-gentagelser. I deres arbejde, forskerne trykte CurveBoards til smarte armbånd og ure, Frisbees, hjelme, hovedtelefoner, en tekande, og en fleksibel, bærbar e-læser.

"På brødbrætter, du prototyper funktionen af ​​et kredsløb. Men du har ikke konteksten for dens form - hvordan elektronikken vil blive brugt i et virkeligt prototypemiljø, " siger førsteforfatter Junyi Zhu, en kandidatstuderende i Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). "Vores idé er at udfylde dette hul, og flette form- og funktionstestning i meget tidlige stadier af prototyping af et objekt. … CurveBoards tilføjer i det væsentlige en ekstra akse til de eksisterende [tredimensionelle] XYZ-akser for objektet – 'funktions'-aksen."

Brugerdefineret software og hardware

En kernekomponent i CurveBoard er brugerdefineret design-redigeringssoftware. Brugere importerer en 3D-model af et objekt. Derefter, de vælger kommandoen "generer pinholes, " og softwaren kortlægger automatisk alle nålehuller ensartet på tværs af objektet. Brugere vælger derefter automatiske eller manuelle layouts til forbindelseskanaler. Den automatiske mulighed lader brugere udforske et andet layout af forbindelser på tværs af alle nålehuller med et klik på en knap. For manuelle layouts, interaktive værktøjer kan bruges til at vælge grupper af nålehuller og angive typen af ​​forbindelse mellem dem. Det endelige design eksporteres til en fil til 3D-print.

Når et 3D-objekt uploades, softwaren tvinger i det væsentlige sin form til en "quadmesh" - hvor objektet er repræsenteret som en flok små firkanter, hver med individuelle parametre. Derved, det skaber et fast mellemrum mellem firkanterne. Nålehuller - som er kegler, med den brede ende på overfladen og tilspidsende - vil blive placeret på hvert punkt, hvor hjørnerne af firkanterne rører hinanden. For kanallayouts, nogle geometriske teknikker sikrer, at de valgte kanaler forbinder de ønskede elektriske komponenter uden at krydse hinanden.

I deres arbejde, forskerne 3-D printede objekter ved hjælp af en fleksibel, holdbar, ikke-ledende silikone. For at levere tilslutningskanaler, de skabte en tilpasset ledende silikone, der kan sprøjtes ind i nålehullerne og derefter flyder gennem kanalerne efter udskrivning. Silikonen er en blanding af et silikonemateriale designet til at have minimal elektricitetsmodstand, tillader forskellige typer elektronik at fungere.

For at validere CurveBoards, forskerne trykte en række smarte produkter. Hovedtelefoner, for eksempel, kom udstyret med menuknapper til højttalere og musikstreaming. Et interaktivt armbånd inkluderede et digitalt display, LED, og fotomodstand til pulsmåling, og en trintællersensor. En tekande inkluderede et lille kamera til at spore teens farve, samt farvede lys på håndtaget til at angive varme og kolde områder. De printede også en bærbar e-bogslæser med et fleksibelt display.

Bedre, hurtigere prototyping

I en brugerundersøgelse, holdet undersøgte fordelene ved CurveBoards prototyping. De delte seks deltagere med varierende prototyping-erfaring i to sektioner:Den ene brugte traditionelle breadboards og et 3-D-printet objekt, og den anden brugte kun et CurveBoard af objektet. Begge sektioner designede den samme prototype, men skiftede frem og tilbage mellem sektioner efter at have afsluttet udpegede opgaver. Til sidst, fem ud af seks af deltagerne foretrak prototyping med CurveBoard. Feedback indikerede, at CurveBoards generelt var hurtigere og nemmere at arbejde med.

Men CurveBoards er ikke designet til at erstatte breadboards, siger forskerne. I stedet, de ville fungere særligt godt som et såkaldt "midfidelity"-trin i prototype-tidslinjen, betydning mellem indledende test af brødbræt og det endelige produkt. "Folk elsker brødbrætter, og der er tilfælde, hvor de er fine at bruge, " siger Zhu. "Dette er til, når du har en idé om det endelige objekt og vil se, sige, hvordan folk interagerer med produktet. Det er nemmere at have et CurveBoard i stedet for kredsløb stablet oven på et fysisk objekt."

Næste, forskerne håber at kunne designe generelle skabeloner for almindelige objekter, såsom hatte og armbånd. Lige nu, et nyt CurveBoard skal bygges for hvert nyt objekt. Færdiglavede skabeloner, imidlertid, ville lade designere hurtigt eksperimentere med grundlæggende kredsløb og brugerinteraktion, før de designer deres specifikke CurveBoard.

Derudover forskerne ønsker at flytte nogle tidlige trin af prototyping helt til softwaresiden. Tanken er, at folk kan designe og teste kredsløb – og muligvis brugerinteraktion – helt på den 3D-model, der genereres af softwaren. Efter mange gentagelser, de kan 3-D-printe et mere færdiggjort CurveBoard. "På den måde ved du præcis, hvordan det vil fungere i den virkelige verden, muliggør hurtig prototyping, " siger Zhu. "Det ville være et mere 'high-fidelity'-trin til prototyping."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.