3D-haptisches Display verbindet Berührung mit Technologie

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Die Vielseitigkeit des Geräts eröffnet auch Anwendungsmöglichkeiten – von einer Schnittstelle für Unterhaltungselektronik bis hin zu verschiedenen Fertigungs- oder kommerziellen Anwendungen. Zum Beispiel Prozesse, bei denen beispielsweise mit giftigen oder empfindlichen Materialien umgegangen wird. Mögliche Anwendungen sieht er auch in der Gaming-Branche, wo taktiles Feedback in AR/VR-Umgebungen bereitgestellt wird.

„Diese Art der Erfassung könnte einige sehr interessante chirurgische Simulationen für die Ausbildung von Medizinstudenten oder die Entwicklung medizinischer Geräte in der Robotik erzeugen.“ – Mark Rentschler, University of Colorado Boulder

Was mit dem Versuch begann, weiche, simulierte Organe für medizinische Geräte und Operationsroboter zu schaffen, hat uns stattdessen ein berührungsempfindliches, formveränderndes 3D-Display beschert. Dieses multifunktionale Gerät, das von Forschern der University of Colorado Boulder und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme entwickelt wurde, ist etwa so groß wie ein Brettspiel und kann Popup-Muster erzeugen, Objekte auf seiner Oberfläche manipulieren und einen Becher mit Flüssigkeit schütteln .

Jede Zelle der berührungsempfindlichen Oberfläche enthält einen Stapel von HASEL-Aktoren. Rentschlers Team verwendete ein modifiziertes gefaltetes Design des Aktuators. Durch die Kompression der einzelnen Ölkammern vergrößert oder verkleinert sich der gesamte Stapel. Die HASELs sind nicht nur weich, sie reagieren auch schnell (von 50 Hz) und morphen gut genug, um Feststoffe und Flüssigkeiten über die gesamte Anzeigeoberfläche zu bewegen. Es reagiert empfindlich auf etwa 5 Gramm Masse und auf Verformungen von nur 0,1 Millimetern. Mit anderen Worten: Es kann eine sehr geringe Krafteinwirkung auf die Oberfläche festgestellt werden, sagt Rentschler.

Formverändernde Anzeige für 3D-Designsyoutu.be

„Das gesamte Konzept bei der Erstellung der 3D-Anzeige bestand darin, zu versuchen, den menschlichen Körper nachzubilden, nicht biologisch, sondern vom Standpunkt der Sinne und Reaktionen aus“, sagt Mark Rentschler, Robotiker bei Boulder. Das bedeutete, ein System mit weichen Aktuatoren und Sensoren zu entwerfen, um Muskeln und Nerven im Körper nachzubilden, und eine Stützstruktur, die das Skelett darstellt.

Um eine Wahrnehmung und Reaktion auf äußere Reize zu erzeugen und eine Aktuatorsteuerung im geschlossenen Regelkreis zu ermöglichen, verwendeten die Forscher weichmagnetische Sensoren aus Silikon. Laut Rentschler platzierte die Gruppe die Sensoren direkt auf der Oberflächenschicht, wodurch das System sowohl Oberflächenverformungen als auch äußere Reize erkennen konnte. Dadurch benötigte das Display außerdem wenig Platz und konnte verschiedene Betätigungssequenzen durchführen, sowohl mit einem Benutzer als auch mit anderen Objekten.

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Dann gibt es natürlich auch medizinische Anwendungen. „Diese Art der Erfassung könnte einige sehr interessante chirurgische Simulationen für die Ausbildung von Medizinstudenten oder die Entwicklung medizinischer Geräte in der Robotik erzeugen“, sagt Rentschler. Es könnte beispielsweise die Verwendung solcher Geräte zur Formveränderung in einem Körper simulieren, der kein menschliches oder tierisches Modell ist, als Vorstufe zur Erlangung einer Genehmigung für die Verwendung am Menschen.

Was die Schaffung simulierter Orgeln betrifft, wo das Projekt begann, „haben wir dafür ein paar verschiedene Ideen“, sagt er. Er sagt, sein Labor prüfe derzeit die Schaffung eines simulierten Teils des Magen-Darm-Trakts, vielleicht des Dickdarms, um chirurgische Robotik zu testen.

Die weichen „Muskeln“ des Geräts stammen aus der früheren Arbeit der Doktorandin Ellen Rumley, die die hydraulisch verstärkten selbstheilenden elektrostatischen (HASEL) Aktuatoren entworfen hat. „Diese Aktuatoren verwenden einfache Polymerfolien, um das Öl in sich zu halten“, sagt Rentschler. „Indem man einen Strom durch die Komponenten leitet, kann man die Aktuatoren dazu bringen, sich zu schließen.“

Obwohl formverändernde Displays nicht gerade neu sind, ist dieses System einzigartig, da es kleiner, schneller, leiser und weicher ist. Der Rechen- und Leistungsbedarf ist gering. Außerdem handele es sich um eine kontinuierliche Fläche und nicht um einzelne Punkte, sagt Rentschler: „Und das ermöglicht uns, ein paar einzigartige Dinge damit zu machen.“ Er ist optimistisch, das System in Zukunft noch kompakter zu machen. „Es geht eigentlich nur darum, die Größe des Aktuators zu reduzieren, und da sich die Elektronik weiterentwickelt, wird auch diese kleiner.“

Das Ergebnis ist eine Anzeigeoberfläche, die aus einem 10×10-Raster einzelner Zelleinheiten mit Hochgeschwindigkeitsbetätigung, -erfassung und -steuerung besteht. Jede einzelne Zelle ist etwa 6 x 6 Zentimeter groß und 1,4 cm hoch, vollgepackt mit weichen Aktuatoren und Sensoren sowie Unterstützung Elektronik. Zur Berechnung wird das System an einen kleinen PC angeschlossen. Ein Artikel über diese Arbeit wurde im Juli in Nature Communications veröffentlicht.

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