3D-Display könnte Touch in die digitale Welt bringen

Andrew Corselli

Stellen Sie sich ein iPad mit einer Oberfläche vor, die sich verändern und verformen kann. So können Sie 3D-Designs zeichnen, Haiku-Gedichte erstellen, die aus dem Bildschirm springen, und sogar die Hand Ihres Partners aus der Ferne halten.

Dies ist die Vision eines Forscherteams der University of Colorado Boulder. In einer neuen Studie – finanziert von der National Science Foundation und veröffentlicht in Nature Communications – hat die Gruppe ein einzigartiges formveränderndes Display geschaffen, das auf einen Kartentisch passt. Das Gerät besteht aus einem 10 x 10-Gitter weicher Roboter-„Muskeln“, die den Druck von außen spüren und auftauchen können, um Muster zu erzeugen. Es ist präzise genug, um Lauftext zu erzeugen, und schnell genug, um einen mit Flüssigkeit gefüllten Chemiebecher zu schütteln.

„Mit fortschreitender Technologie begannen wir mit dem Versenden von Texten über große Entfernungen, dann von Audio und jetzt von Video“, sagte Co-Hauptautor Brian Johnson. „Aber uns fehlt immer noch der Touch.“

Das Projekt hat seinen Ursprung in der Suche nach einer anderen Art von Technologie: synthetischen Organen. Im Jahr 2017 entwickelten Forscher unter der Leitung von Professor Mark Rentschler das, was sie sTISSUE nennen – weiche Organe, die sich wie echte menschliche Körperteile verhalten und anfühlen, aber vollständig aus silikonähnlichen Materialien bestehen.

Bei der Entwicklung dieser Technologie kam das Team jedoch auf die Idee eines Tischdisplays. Die Forschung ist Teil des Materials Science & Engineering Program.

Andere Forschungsteams haben ähnliche Smart-Tablets entwickelt, aber das Display des CU Boulder ist weicher, nimmt viel weniger Platz ein und ist viel schneller. Jeder seiner Robotermuskeln kann bis zu 50 Mal pro Sekunde aktiviert werden.

Hier ist ein exklusives Tech Briefs-Interview mit Rentschler – aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

Technische Briefs: Ich bin mir sicher, dass es zu viele waren, um sie aufzuzählen, aber was war für Sie die größte technische Herausforderung bei der Entwicklung dieser Technologie?

Rentschler : Eine der größten Herausforderungen bestand wirklich darin, alles in einen Formfaktor zu integrieren, der uns wirklich dabei helfen konnte, die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes zu demonstrieren. Ich bezeichne das als 1A, und 1B würde eigentlich nur die neuartigen Sensorfunktionen entwickeln und diese in das System integrieren.

Technische Briefs: Würde es Ihnen etwas ausmachen, in sehr einfachen Worten zu erklären, wie es funktioniert?

Rentschler : Ja absolut. Im Grunde genommen haben wir also ein System, das ungefähr die Größe eines Brettspiels hat – ein paar Fuß mal ein paar Fuß breit und nur etwa zwei bis drei Zoll hoch. Eigentlich handelt es sich um eine Pixelanordnung, also 10 mal 10 Pixel, aber wir haben das als modulares System aufgebaut. Unter jedem Pixel befinden sich also mehrere Aktuatoren, die übereinander gestapelt sind und es dem Pixel ermöglichen, sich nach oben und unten zu bewegen. Es handelt sich um eine kleine Zelle, und diese kleine Zelle ist etwa 5 x 5 cm breit, und diese Zelle kann sich auf und ab bewegen, je nachdem, was sie wahrnimmt und basierend auf dem Kontrollschema, das wir unter ihr haben. In dieser Zelle haben wir also die Aktuatoren, die sich auf und ab bewegen, aber wir haben auch darin eingebettete Sinnesorgane.

Auf der Oberseite befinden sich magnetische Partikel, sodass wir die Verformung entweder vertikal messen können, wenn sie sich nach oben ausdehnt, oder auch, wenn etwas darauf drückt, können wir das spüren. Das ist also eine einzelne Zelle, und dann haben wir eine Reihe davon, also ein 1x10-Array dieser Zellen in einer Reihe, und das betrachten wir als Modul. Und dann haben wir 10 dieser Reihen übereinander gestapelt oder 10 dieser Module zusammen in der Anzeige, die wir in der Zeitung haben.

Und dann haben wir eine weiche Silikonschicht, das ist die schwarze Schicht, die über das Ganze verteilt ist. Es handelt sich um eine sehr dünne Folie, die jedoch eine durchgehende Oberfläche ermöglicht. Und so können wir ein kontinuierliches Medium, darunter Flüssigkeiten, auf der Oberfläche manipulieren, indem wir diese diskreteren Aktuatoren verwenden, die sich darunter befinden.

Technische Briefs : Sie werden mit den Worten zitiert, dass Sie diese künstlichen Organe zur Entwicklung medizinischer Geräte und/oder chirurgischer Roboterwerkzeuge zu wesentlich geringeren Kosten als bei der Verwendung von echtem Tiergewebe verwenden könnten. Bei der Entwicklung dieser Technologie kam das Team jedoch auf die Idee eines Tischdisplays. Wie haben Sie sich für das Tischdisplay entschieden?

Rentschler : Ursprünglich dachten wir, wir könnten diese einzelnen Zellen herstellen – und wir wussten, dass wir sie am Ende viel größer machen würden als eine menschliche Zelle, und sie sind nicht biologisch, aber wir haben versucht, die Muskeln und Zellen nachzubilden Art des Skelettmaterials und auch der Nerven oder der Sinnesorgane, die sich im menschlichen Gewebe befinden – und letztendlich versuchen, es kleiner zu machen, damit wir Organe aus dem Körper nachbilden können, um Sie bei der Entwicklung von Robotersystemen oder medizinischen Geräten zu unterstützen. Und das liegt wirklich daran, dass ich mit Klinikern zusammengearbeitet habe, um medizinische Geräte oder Roboter zu entwickeln, die ihnen bei der Lösung ihrer Probleme helfen sollen. Hier haben wir also angefangen, und das gesamte Konzept für uns bestand eigentlich darin, mit der Betrachtung von Organen zu beginnen, die eine Art Sinn haben und eigenständig reagieren.

Für uns war eines der interessanten Dinge, dass der Magen-Darm-Trakt; Da sehen Sie den Dickdarm oder den Dünndarm, und wenn diese Organe Dinge in ihrem Inneren wahrnehmen, wirken peristaltische Kräfte, die das Material festhalten, um es durch den Körper zu bewegen. Und das war das ursprüngliche Konzept. Als wir begannen, diese einzelnen Zellen zu entwickeln, begannen wir, all diese anderen Anwendungen zu realisieren, sei es haptisches Feedback und eine Art Unterhaltungselektronik oder Fertigung, die Möglichkeit, Objekte auf einem Förderband zu manipulieren oder zu sortieren oder sogar einige interessante Dinge, die Daran hatten wir von Anfang an nicht gedacht – eine Art Formänderung für die Aerodynamik.

Sie können sich also entweder Autos oder Düsenflugzeuge vorstellen, deren Dinge sich schnell durch die Luft bewegen und ihre Form ändern müssen, um die Leistung in einer Kurve zu verbessern, oder ähnliches. Das hat uns wirklich dazu gebracht, eine, wie ich sagen würde, allgemeinere Darstellung zu erstellen, um eine Reihe dieser unterschiedlichen Fähigkeiten zu demonstrieren, bevor wir uns auf einzelne Richtungen zur Lösung spezifischer Probleme konzentrieren.

Technische Briefs : Sie haben erwähnt, dass sich das Team jetzt darauf konzentriert, die Aktuatoren zu verkleinern, um die Auflösung des Displays zu erhöhen, fast so, als würde man einem Computerbildschirm mehr Pixel hinzufügen. Und Sie sagten auch, dass die Gruppe daran arbeitet, die Anzeige umzudrehen. Auf diese Weise können Ingenieure einen Handschuh entwerfen, mit dem Sie Objekte in der virtuellen Realität fühlen können. Wie entwickeln sich diese beiden Projekte?

Rentschler : Aus aktuatorischer Sicht schreitet ein großer Teil dieser Forschung definitiv voran. Es gibt eine Art Sweet Spot, wie viel Aufwand man betreiben muss, um die einzelnen Pixel viel kleiner zu machen oder sie, wissen Sie, ich würde sagen, halb so groß zu machen, damit es noch kein Integrations-Albtraum ist, aber wir können es auf jeden Fall Machen Sie die Aktuatoren mindestens halb so groß wie sie sind, wenn nicht sogar ein Viertel so groß, und erzielen Sie auch heute noch eine wirklich gute Leistung.

Es gibt noch einen ganz anderen Forschungsbereich, an dem das Team gearbeitet hat, nur um die einzelnen Pixel viel kleiner zu machen und sie dann in bestimmte Anwendungen zu integrieren. Daher habe ich im Moment keine spezifischen Updates. Diese Dinge werden kommen; es ist eine aufregende Zeit für uns.

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Technische Briefs : Was sind Ihre nächsten Schritte? Sind weitere zukünftige Forschungsarbeiten usw. geplant?

Rentschler : Es ist wirklich alles, was ich gerade erwähnt habe. Wir suchen nach Möglichkeiten, wie wir dies in eine Art Unterhaltungselektronik integrieren und in Produkte umsetzen oder mit Partnern daran arbeiten können. Ich würde sagen, wir betrachten einige interessante Dinge aus medizinischer Sicht und versuchen wirklich, den nächsten Schritt zur Schaffung dieser simulierten Systeme zu machen.

Dann denke ich, dass ein wirklich spannender Bereich für uns die Formveränderung ist. Die Fähigkeit, dies in Oberflächen zu integrieren – sei es ein Flugzeugjet, eine Windkraftanlage oder Dinge, die sich durch die Luft bewegen – könnte von einer Art Wahrnehmung und Reaktion profitieren, und die kontinuierliche Formveränderung ist für uns in Zukunft ein wirklich leistungsstarker Bereich .

Technische Briefs: Haben Sie einen Rat für Ingenieure, die ihre Ideen verwirklichen möchten?

Rentschler : Wir reden immer über Innovation und Neuheit, aber ich würde sagen, bei Innovation geht es nur darum, etwas zu schaffen. Sie müssen auf dem Weg einige Entscheidungen treffen, die möglicherweise einige Türen vorübergehend schließen, aber Sie müssen eine Auswahl treffen, nur um es zu schaffen. Und diese Integration und deren Vollendung sind meiner Meinung nach immer die größte Herausforderung, wenn es darum geht, innovative Dinge zum Erfolg zu führen.