MIT-onderzoekers hebben een manier bedacht om 'breadboards' - platte platforms die veel worden gebruikt voor elektronica-prototyping - rechtstreeks in fysieke producten te integreren. Het doel is om een ​​snellere, eenvoudigere manier om circuitfuncties en gebruikersinteracties te testen met producten zoals slimme apparaten en flexibele elektronica.

Breadboards zijn rechthoekige planken met reeksen gaatjes die in het oppervlak zijn geboord. Veel van de gaten hebben metalen verbindingen en contactpunten ertussen. Ingenieurs kunnen componenten van elektronische systemen - van basiscircuits tot volledige computerprocessors - in de gaatjes steken waar ze willen dat ze worden aangesloten. Vervolgens, ze kunnen snel testen, herschikken, en test de componenten indien nodig opnieuw.

Maar breadboards hebben al tientallen jaren dezelfde vorm. Om die reden, het is moeilijk om te testen hoe de elektronica eruit zal zien en aanvoelt, zeggen, wearables en verschillende slimme apparaten. Over het algemeen, men gaat eerst circuits testen op traditionele breadboards, sla ze vervolgens op een productprototype. Als de schakeling moet worden aangepast, het is terug naar het breadboard om te testen, enzovoort.

In een paper dat wordt gepresenteerd op CHI (Conference on Human Factors in Computing Systems), de onderzoekers beschrijven "CurveBoards, " 3D-geprinte objecten met de structuur en functie van een breadboard geïntegreerd op hun oppervlak. Aangepaste software ontwerpt automatisch de objecten, compleet met gedistribueerde gaatjes die kunnen worden gevuld met geleidende siliconen om elektronica te testen. De eindproducten zijn nauwkeurige weergaven van het echte werk, maar met breadboard-oppervlakken.

CurveBoards "behouden de look en feel van een object, " schrijven de onderzoekers in hun paper, terwijl ontwerpers componentconfiguraties kunnen uitproberen en interactieve scenario's kunnen testen tijdens prototyping-iteraties. In hun werk, de onderzoekers printten CurveBoards voor slimme armbanden en horloges, frisbee, helmen, koptelefoon, een theepot, en een flexibele draagbare e-reader.

"Op broodplanken, je maakt een prototype van de functie van een circuit. Maar je hebt geen context van zijn vorm - hoe de elektronica zal worden gebruikt in een echte prototype-omgeving, " zegt eerste auteur Junyi Zhu, een afgestudeerde student in het Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). "Ons idee is om deze leemte op te vullen, en het samenvoegen van vorm- en functietesten in een zeer vroeg stadium van prototyping van een object. ... CurveBoards voegen in wezen een extra as toe aan de bestaande [driedimensionale] XYZ-assen van het object - de 'functie'-as."

Aangepaste software en hardware

Een kerncomponent van het CurveBoard is op maat gemaakte ontwerpbewerkingssoftware. Gebruikers importeren een 3D-model van een object. Vervolgens, ze selecteren het commando "genereer gaatjes, " en de software brengt automatisch alle gaatjes uniform over het object in kaart. Gebruikers kiezen vervolgens automatische of handmatige lay-outs voor connectiviteitskanalen. Met de automatische optie kunnen gebruikers met een klik op een knop een andere lay-out van verbindingen over alle gaatjes verkennen. Voor handmatige lay-outs, interactieve tools kunnen worden gebruikt om groepen pinholes te selecteren en het type verbinding daartussen aan te geven. Het uiteindelijke ontwerp wordt geëxporteerd naar een bestand voor 3D-printen.

Wanneer een 3D-object wordt geüpload, de software dwingt zijn vorm in wezen in een "quadmesh" - waarbij het object wordt weergegeven als een aantal kleine vierkanten, elk met individuele parameters. Daarbij, het creëert een vaste afstand tussen de vierkanten. Pinholes - dat zijn kegels, met het brede uiteinde op het oppervlak en taps toelopend naar beneden - wordt geplaatst op elk punt waar de hoeken van de vierkanten elkaar raken. Voor kanaallay-outs, sommige geometrische technieken zorgen ervoor dat de gekozen kanalen de gewenste elektrische componenten verbinden zonder elkaar te kruisen.

In hun werk, de onderzoekers 3D-geprinte objecten met behulp van een flexibele, duurzaam, niet-geleidende siliconen. Om connectiviteitskanalen te bieden, ze creëerden een op maat gemaakte geleidende siliconen die in de gaatjes kan worden gespoten en vervolgens door de kanalen stroomt na het afdrukken. De siliconen zijn een mengsel van siliconenmaterialen die zijn ontworpen om een ​​minimale elektriciteitsweerstand te hebben, waardoor verschillende soorten elektronica kunnen functioneren.

Om de CurveBoards te valideren, de onderzoekers printten verschillende slimme producten. koptelefoon, bijvoorbeeld, kwam uitgerust met menubedieningen voor luidsprekers en mogelijkheden voor het streamen van muziek. Een interactieve armband omvatte een digitaal display, LED, en fotoresistor voor hartslagmeting, en een stappenteller. Een theepot bevatte een kleine camera om de kleur van de thee te volgen, evenals gekleurde lampjes op het handvat om warme en koude gebieden aan te geven. Ze drukten ook een draagbare e-bookreader met een flexibel display.

Beter, snellere prototyping

In een gebruikersonderzoek het team onderzocht de voordelen van prototyping van CurveBoards. Ze splitsten zes deelnemers met verschillende prototyping-ervaring in twee secties:een gebruikte traditionele breadboards en een 3D-geprint object, en de andere gebruikte alleen een CurveBoard van het object. Beide secties ontwierpen hetzelfde prototype, maar schakelden heen en weer tussen secties na het voltooien van bepaalde taken. Uiteindelijk, vijf van de zes deelnemers gaven de voorkeur aan prototyping met het CurveBoard. Feedback gaf aan dat de CurveBoards over het algemeen sneller en gemakkelijker waren om mee te werken.

Maar CurveBoards zijn niet ontworpen om breadboards te vervangen, zeggen de onderzoekers. In plaats daarvan, ze zouden bijzonder goed werken als een zogenaamde "midfidelity" -stap in de prototyping-tijdlijn, wat betekent tussen de eerste breadboard-testen en het eindproduct. "Mensen houden van breadboards, en er zijn gevallen waarin ze prima te gebruiken zijn, " zegt Zhu. "Dit is voor als je een idee hebt van het uiteindelijke object en wilt zien, zeggen, hoe mensen omgaan met het product. Het is gemakkelijker om een ​​CurveBoard te hebben in plaats van circuits die op een fysiek object zijn gestapeld."

Volgende, de onderzoekers hopen algemene sjablonen van veelvoorkomende objecten te ontwerpen, zoals hoeden en armbanden. Direct, voor elk nieuw object moet een nieuw CurveBoard worden gebouwd. Kant-en-klare sjablonen, echter, zou ontwerpers snel laten experimenteren met basiscircuits en gebruikersinteractie, voordat ze hun specifieke CurveBoard ontwerpen.

Aanvullend, de onderzoekers willen sommige prototyping-stappen in een vroeg stadium volledig naar de softwarekant verplaatsen. Het idee is dat mensen circuits kunnen ontwerpen en testen - en mogelijk gebruikersinteractie - volledig op het 3D-model dat door de software wordt gegenereerd. Na vele iteraties, ze kunnen een meer afgerond CurveBoard 3D printen. "Op die manier weet je precies hoe het in de echte wereld zal werken, snelle prototyping mogelijk maken, " zegt Zhu. "Dat zou een meer 'high-fidelity'-stap zijn voor prototyping."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.