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90后研发大型电子制造机器人,通过墙上画电路,造出新型交互空间

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DeepTech深科技 2021-10-12 19:35

在墙上绘一架钢琴,就能像弹奏传统钢琴一样,去弹奏画在墙上的打印钢琴电路。

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动图 | 在墙上 “弹钢琴”(来源:程听雨)

在墙上画一副电路,就可以连接并控制家庭中已有的物联网设备, 比如咖啡机和电灯等。

动图 | 在墙上控制电路(来源:程听雨)

或在窗户玻璃上画一个 FM 能源采集器,这样就能从空气中收集富余能量,并用于支持家用传感器。

动图 | 收集能量 (来源:程听雨)

这是辽宁 90 后博士生程听雨研发的大型电子制造机器人 Duco,它利用一个悬起的机器人系统,即可在日常生活环境的表面自动绘制单层甚至多层电路。

图 | 程听雨(来源:程听雨)

它背后的关键思想是在日常生活表面上打印单层、或多层大型电路。日常建筑表面非常普及,但实际上多用于结构性功能。比如墙就是一个很好的例子,在日常中广泛存在,但只用来隔开屋子或者支撑建筑,并没有任何交互特性。

Duco 通过加载各种功能油墨(如导电、介电或清洁)可以在这些日常生活表面去打印大型电路,或者进行切割并组装成具有交互能力的三维物体。

9 月 14 日,相关论文以《Duco:使用可伸缩的悬挂式绘图仪在垂直的日常表面上进行自动化大规模电路书写(DCW)》(Duco: Autonomous Large-Scale Direct-Circuit-Writing (DCW) on Vertical Everyday Surfaces Using A Scalable Hanging Plotter)为题,发表在人机交互的顶级会议 IMWUT/ubicomp 上,主题是用机器人在日常表面绘制大型电路。

图 | 相关论文(来源:程听雨)

大型电路的优势在于,能提供更大的交互空间。此外,像低频的 FM 能量收集器,需要增大天线的尺寸去收集更多能量,或者利用机器人的切割功能去组装大型三维实体交互设备,让家具实现交互。

让你家的墙变成电路

此前,喷墨印刷电路开创了一种简单、快速且廉价的数字制造方法,并已用于原型化功能性电子设备。此外,许多其他基于喷墨的技术进展,也带来了更广泛的交互应用。

然而,目前还没有制备大规模电路的数字制造工具。当前的挑战在于,过程需要大量人力,例如准备对准模板、手动油漆、喷涂功能材料、去除模板等,这给大规模制造带来了较大困难。

(来源:程听雨)

同样值得注意的是,在准备模板时,大多数现有机器仍然占据了大部分平面空间。因此垂直空间的尚未充分利用,这导致这些空间不能作为可被直接制造的工作空间。

但是,人类环境中充满了巨大的开放空间,它们被墙壁、外墙、玻璃窗等结构隔开。通常情况下,这些结构都处于被动状态,几乎没有交互性。而程听雨表示,目前集成电路的发展趋势是以做小做精为主,其优势在于可降低成本,并能更好地将它们安装到可穿戴设备上。

(来源:程听雨)

但实际上,大型电路也有着独特优势。为此,程听雨建立出 Duco 这款大型电子制造机器人,利用它在墙上画大型电路,借此给房间规模和建筑规模的电路增加交互性。

这也是一种可创建高精度大规模电子产品的直接电路写入系统。Duco 支持三类工具:一个利用导电、介电和清洁油墨的笔刷,可用于在垂直表面上绘制电路;一个激光切割头可在大表面上进行 2D 切割;以及一个可用于自动固化打印油墨的紫外线发光头。

它还能切换到不同的油墨之间,并使用一个自定义旋转更换机制。可以说,这正是大型电路的独有需求和优势,当需要大面积的交互范围和空间,大型电路就成为了必须。

(来源:程听雨)

相关数据已开源,人人都可定制专属电路

Duco 系统的机械精度相对不错,其具备 0.1mm 的 XY 轴分辨率、以及 1mm 的最小特征尺寸。

研究中,程听雨用五个应用例子展示了 Duco 系统:分别是交互式钢琴、物联网咖啡机控制器、打印在大玻璃窗上的 FM 能量收集器、大型多层触摸阵列、以及一个 3D 互动灯。

(来源:程听雨)

具体来说:

其一是在墙上画一些交互型图案,研究中程听雨展示了一架 160 厘米乘 32 厘米大小的独立互动钢琴。这一应用突出了 Duco 系统绘制复杂且准确的电路的能力。

在制作交互式钢琴时,程听雨首先使用 4 毫米的黑色标记笔来画轮廓,然后自动切换到装有导电墨水的 4 毫米标记笔来绘制交互图案。这款交互式钢琴具备以下功能:包括黑白按键演奏、背景音乐演奏、音调切换和音量调整。他还在钢琴两侧安上一对便携式扬声器、一个 400 毫安时的锂电池和一个裸体导电触摸板。

(来源:程听雨)

其二是他把墙上电路和 IoT 咖啡机连到一起,只需触碰电路图案,就能远程实时地控制家中的咖啡机。

其三是收集低频能量。空气里中其实有很多 free energy(自由能量),例如信号塔传输信号到手机的过程中,会存在一些能量耗散残留在空气中。借助 Duco, 可以在日常玻璃上制作大型能量收集器,以便收集这些能量。将大型电路图搭载在玻璃上,即可让玻璃转化成自由能量收集器,从而在空气中收集能量。同时,大型能量收集器的设计是细线型,因此不会阻挡从室内向外看的视线。

(来源:程听雨)

其四,除了直接进行电路绘制,也可把绘制好的电路切割下来重新组装。比如在墙面上挂一个大型亚克力板,然后在上面绘制电路,这时使用一个激光切割装置进行切割,就能组装成 3D 形状。其五,还可通过这种方法制作大型交互落地灯。

一般来说,生活中的墙面,不管是树脂、玻璃还是内饰墙,除了墙本身的装饰作用和建筑作用,它们没有任何用处。当时程听雨心想,这其实是一个很好的机会。如果能有一个机器人利用墙体等绘制大型电路,这样既不会占空间,又满足了大型电路的面积需求,基于此研发出这款机器人。他表示,这款机器人不仅很便宜,而且已经开源,其他人都可以拿去做改造,比如给它加一个摄像头就能用于检查电路。

(来源:程听雨)

此外,机器人还能在更大的玻璃上绘画,实现楼与楼之间、甚至城市与城市之间的交流。由于 FM energy harvester 的优势在于收集能量,绘制出一些天线,天线就可用于传递信息。由于这款机器人的成本比较低,未来主要以个人制作为主。在开源内容中,程听雨已经列出来很详细的购买链接清单,甚至还有 3D 打印模型。他希望人们买到机器人之后,可以把家里的墙、玻璃转化成灯的开关。

(来源:程听雨)

如果家里有小孩,可以在墙上画一些钢琴,小孩子可以去跟它玩,比如触碰导电的交互性图案,屋里的灯就会亮,对于儿童也可起到一定的教育作用。

该研究开始于疫情期间,由于是研究大型电路,所有东西尺寸都很大,为了在墙上画咖啡机,程听雨专门在疫情期间自己建了一堵墙,其他每一个实验部分都专门建了一堵墙,建好之后用墙做测试。为了制备 FM energy harvester 装置,他还专门买了一块大玻璃。在这里也想特别感谢整个团队的支持,尤其是李不、李云志研究员和张洋教授。

图 | 程听雨(来源:程听雨)

或考虑回国发展

程听雨是沈阳人,生于 1991 年。硕士留学于雪城大学,目前在佐治亚理工大学读博士三年级,就读于人际交互专业,研究方向主要为设计和交互的结合。

接下来的博士生涯,他还会关注盲人应用。最近,他正在研究一种纸张,它的特性是加热后能站起来,用这种纸做一些盲人图案,即可拓展该群体的相关应用。

未来,他会继续沿着这一方向,并希望去探索打印电路的更多应用,未来有望让用户在家里就能自行打印电路。具体来说在后疫情时代,或许用户打印一个电路,就能检测感染情况或身体状况。谈及未来,他更加倾向在高校找教职,也更加倾向于回国发展。

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