Pesquisadores desenvolveram um novo sistema que permite que um fabricante imprima sensores em 3D diretamente nas partes móveis de um mecanismo usando filamento de impressão 3D condutor. Isso dá aos dispositivos a capacidade de detectar sua posição angular, velocidade de rotação e direção de rotação.
De acordo com o MIT News, com o sistema chamado MechSense, um fabricante pode fabricar mecanismos rotacionais com sensores integrados em apenas uma passagem, usando uma impressora 3D multimaterial. Esses tipos de impressoras 3D utilizam vários materiais ao mesmo tempo para fabricar um dispositivo.
Para agilizar o processo de fabricação, os pesquisadores construíram um plug-in para o software de design assistido por computador SolidWorks, que integra automaticamente os sensores em um modelo do mecanismo, que pode ser enviado diretamente para a impressora 3D para fabricação.
De acordo com a publicação, o MechSense pode permitir que os engenheiros prototipem rapidamente dispositivos com peças rotativas, como turbinas ou motores, incorporando a detecção diretamente nos projetos. Pode ser especialmente útil na criação de interfaces de usuário tangíveis para ambientes de realidade aumentada, onde a detecção é crítica para rastrear os movimentos de um usuário e a interação com objetos.
“Grande parte da pesquisa que fazemos em nosso laboratório envolve pegar métodos de fabricação que fábricas ou instituições especializadas criam e torná-los acessíveis para as pessoas. A impressão 3D é uma ferramenta que muitas pessoas podem ter em suas casas. Então, como podemos fornecer ao fabricante médio as ferramentas necessárias para desenvolver esses tipos de mecanismos interativos? No final das contas, toda essa pesquisa gira em torno deste objetivo”, diz Marwa AlAlawi, estudante de graduação em engenharia mecânica e principal autora de um artigo sobre o MechSense.
Sensor embutido
Para incorporar sensores em um mecanismo rotacional de forma a não interromper o movimento do dispositivo, os pesquisadores aproveitaram a detecção capacitiva.
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Um capacitor consiste em duas placas de material condutor que possuem um material isolante entre elas. Se a área de sobreposição ou a distância entre as placas condutoras for alterada, talvez pela rotação do mecanismo, um sensor capacitivo pode detectar as alterações resultantes no campo elétrico entre as placas. Essa informação poderia então ser usada para calcular a velocidade, por exemplo.
“Na detecção capacitiva, você não precisa necessariamente ter contato entre as duas placas condutoras opostas para monitorar mudanças naquele sensor específico. Aproveitamos isso para o design do nosso sensor”, diz AlAlawi.
Os mecanismos rotacionais geralmente consistem em um elemento rotacional localizado acima, abaixo ou próximo a um elemento estacionário, como uma engrenagem girando em um eixo estático acima de uma superfície plana. A engrenagem giratória é o elemento rotacional e a superfície plana abaixo dela é o elemento estacionário.
O sensor MechSense inclui três patches feitos de material condutivo que são impressos na placa estacionária, com cada patch separado de seus vizinhos por material não condutivo. Um quarto patch de material condutor, que tem a mesma área que os outros três patches, é impresso na placa rotativa.
À medida que o dispositivo gira, o patch na placa rotativa, chamado de capacitor flutuante, sobrepõe cada um dos patches na placa estacionária por sua vez. À medida que a sobreposição entre o patch rotativo e cada patch estacionário muda (de completamente coberto, para meio coberto, para não coberto), cada patch detecta individualmente a mudança resultante na capacitância.
O capacitor flutuante não está conectado a nenhum circuito, então os fios não ficarão emaranhados com os componentes rotativos.
Em vez disso, os patches estacionários são conectados a eletrônicos que usam software que os pesquisadores desenvolveram para converter dados brutos do sensor em estimativas de posição angular, direção de rotação e velocidade de rotação.
Prototipagem rápida
Para simplificar o processo de integração do sensor para um usuário, os pesquisadores construíram uma extensão do SolidWorks. Um fabricante especifica as partes rotativas e estacionárias de seu mecanismo, bem como o centro de rotação e, em seguida, o sistema adiciona automaticamente patches de sensor ao modelo.
“Não altera em nada o design. Ele apenas substitui parte do dispositivo por um material diferente, neste caso material condutor”, diz AlAlawi.
Os pesquisadores usaram seu sistema para prototipar vários dispositivos, incluindo uma lâmpada de mesa inteligente que muda a cor e o brilho de sua luz dependendo de como o usuário gira a parte inferior ou central da lâmpada. Eles também produziram uma caixa de engrenagens planetárias, como as usadas em braços robóticos, e uma roda que mede a distância ao rolar sobre uma superfície.
Enquanto prototipavam, a equipe também realizou experimentos técnicos para ajustar o design do sensor. Eles descobriram que, à medida que reduziam o tamanho dos patches, a quantidade de erros nos dados do sensor aumentava.
“Em um esforço para gerar dispositivos eletrônicos com muito pouco lixo eletrônico, queremos dispositivos com pegadas menores que ainda possam funcionar bem. Se adotarmos nossa mesma abordagem e talvez usarmos um material ou processo de fabricação diferente, acho que podemos reduzir a escala enquanto acumulamos menos erros usando a mesma geometria”, diz ela.
Além de testar diferentes materiais, AlAlawi e seus colaboradores planejam explorar como podem aumentar a robustez de seu design de sensor para ruído externo e também desenvolver sensores imprimíveis para outros tipos de mecanismos móveis.
Confira o vídeo (em inglês) com o detalhamento do processo:
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