La integración de sensores en los mecanismos de rotación podría hacer posible que los ingenieros construyan bisagras inteligentes que sepan cuándo se ha abierto una puerta, o engranajes dentro de un motor que le digan a un mecánico qué tan rápido están girando. Los ingenieros del MIT ahora han desarrollado una forma de integrar fácilmente sensores en este tipo de mecanismos, con impresión 3D.
Aunque los avances en la impresión 3D permiten la fabricación rápida de mecanismos de rotación, la integración de sensores en los diseños sigue siendo notoriamente difícil. Debido a la complejidad de las piezas giratorias, los sensores suelen incorporarse manualmente, una vez que el dispositivo ya se ha fabricado.
Sin embargo, la integración manual de sensores no es una tarea fácil. Incrustarlos dentro de un dispositivo y los cables podrían enredarse en las partes giratorias u obstruir sus rotaciones, pero montar sensores externos aumentaría el tamaño de un mecanismo y potencialmente limitaría su movimiento.
En cambio, el nuevo sistema que desarrollaron los investigadores del MIT permite a un fabricante imprimir sensores en 3D directamente en las partes móviles de un mecanismo utilizando un filamento de impresión 3D conductor. Esto le da a los dispositivos la capacidad de detectar su posición angular, velocidad de rotación y dirección de rotación.
Con su sistema, llamado MechSense, un fabricante puede fabricar mecanismos de rotación con sensores integrados en una sola pasada utilizando una impresora 3D multimaterial. Estos tipos de impresoras utilizan múltiples materiales al mismo tiempo para fabricar un dispositivo.
Para agilizar el proceso de fabricación, los investigadores crearon un complemento para el software de diseño asistido por computadora SolidWorks que integra automáticamente los sensores en un modelo del mecanismo, que luego podría enviarse directamente a la impresora 3D para la fabricación.
MechSense podría permitir a los ingenieros crear rápidamente prototipos de dispositivos con piezas giratorias, como turbinas o motores, al tiempo que incorpora la detección directamente en los diseños. Podría ser especialmente útil en la creación de interfaces de usuario tangibles para entornos de realidad aumentada, donde la detección es fundamental para rastrear los movimientos del usuario y la interacción con los objetos.
«Gran parte de la investigación que hacemos en nuestro laboratorio implica tomar métodos de fabricación que crean fábricas o instituciones especializadas y luego hacerlos accesibles para las personas. La impresión 3D es una herramienta que muchas personas pueden permitirse tener en sus hogares. Entonces, ¿cómo ¿Podemos proporcionarle al fabricante promedio las herramientas necesarias para desarrollar este tipo de mecanismos interactivos? Al final del día, toda esta investigación gira en torno a ese objetivo», dice Marwa AlAlawi, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y autora principal de un artículo sobre MechSense.
Los coautores de AlAlawi incluyen a Michael Wessely, ex postdoctorado en el Laboratorio de Inteligencia Artificial y Ciencias de la Computación del MIT (CSAIL) que ahora es profesor asistente en la Universidad de Aarhus; y la autora principal Stefanie Mueller, profesora asociada en los departamentos de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación e Ingeniería Mecánica del MIT, y miembro de CSAIL; así como otros del MIT y colaboradores de Accenture Labs. La investigación se presentará en la Conferencia ACM CHI sobre factores humanos en sistemas informáticos.
Detección integrada
Para incorporar sensores en un mecanismo de rotación de una manera que no interrumpa el movimiento del dispositivo, los investigadores aprovecharon la detección capacitiva.
Un capacitor consta de dos placas de material conductor que tienen un material aislante intercalado entre ellas. Si se cambia el área de superposición o la distancia entre las placas conductoras, quizás girando el mecanismo, un sensor capacitivo puede detectar los cambios resultantes en el campo eléctrico entre las placas. Esa información podría usarse para calcular la velocidad, por ejemplo.
«En la detección capacitiva, no es necesario que haya contacto entre las dos placas conductoras opuestas para monitorear los cambios en ese sensor específico. Aprovechamos eso para el diseño de nuestro sensor», dice AlAlawi.
Los mecanismos de rotación generalmente consisten en un elemento de rotación ubicado encima, debajo o al lado de un elemento estacionario, como un engranaje que gira sobre un eje estático sobre una superficie plana. El engranaje giratorio es el elemento giratorio y la superficie plana debajo de él es el elemento estacionario.
El sensor MechSense incluye tres parches hechos de material conductor que están impresos en la placa estacionaria, con cada parche separado de sus vecinos por material no conductor. Un cuarto parche de material conductor, que tiene la misma área que los otros tres parches, se imprime en la placa giratoria.
A medida que el dispositivo gira, el parche de la placa giratoria, llamado condensador flotante, se superpone a cada uno de los parches de la placa estacionaria. A medida que cambia la superposición entre el parche giratorio y cada parche estacionario (de completamente cubierto, a medio cubierto, a no cubierto en absoluto), cada parche detecta individualmente el cambio resultante en la capacitancia.
El condensador flotante no está conectado a ningún circuito, por lo que los cables no se enredan con los componentes giratorios.
Más bien, los parches estacionarios están conectados a componentes electrónicos que usan software desarrollado por los investigadores para convertir datos de sensores sin procesar en estimaciones de posición angular, dirección de rotación y velocidad de rotación.
Permitir la creación rápida de prototipos
Para simplificar el proceso de integración de sensores para un usuario, los investigadores crearon una extensión de SolidWorks. Un fabricante especifica las partes giratorias y estacionarias de su mecanismo, así como el centro de rotación, y luego el sistema agrega automáticamente parches de sensores al modelo.
«No cambia el diseño en absoluto. Simplemente reemplaza parte del dispositivo con un material diferente, en este caso material conductor», dice AlAlawi.
Los investigadores utilizaron su sistema para crear prototipos de varios dispositivos, incluida una lámpara de escritorio inteligente que cambia el color y el brillo de su luz según cómo el usuario gira la parte inferior o central de la lámpara. También produjeron una caja de cambios planetaria, como las que se usan en los brazos robóticos, y una rueda que mide la distancia mientras rueda sobre una superficie.
Mientras creaban prototipos, el equipo también realizó experimentos técnicos para afinar el diseño de su sensor. Descubrieron que, a medida que reducían el tamaño de los parches, aumentaba la cantidad de error en los datos del sensor.
«En un esfuerzo por generar dispositivos electrónicos con muy pocos desechos electrónicos, queremos dispositivos con huellas más pequeñas que aún puedan funcionar bien. Si adoptamos nuestro mismo enfoque y tal vez usamos un material o proceso de fabricación diferente, creo que podemos reducir la escala mientras acumulando menos errores usando la misma geometría», dice ella.
Además de probar diferentes materiales, AlAlawi y sus colaboradores planean explorar cómo podrían aumentar la robustez del diseño de su sensor frente al ruido externo y también desarrollar sensores imprimibles para otros tipos de mecanismos móviles.
Esta investigación fue financiada, en parte, por Accenture Labs.
