Макетные платы представляют собой прямоугольные платы с множеством отверстий, просверленных в поверхности. Многие отверстия имеют металлические соединения и точки контакта между ними. Инженеры могут вставлять компоненты электронных систем – от базовых схем до полных компьютерных процессоров – в отверстия, где они хотят, чтобы они соединялись. Затем они могут быстро тестировать, переставлять и повторно тестировать компоненты по мере необходимости.
Но макеты оставались той же формы на протяжении десятилетий. По этой причине сложно проверить, как электроника будет выглядеть и ощущаться, скажем, на носимых и различных интеллектуальных устройствах. Как правило, люди сначала тестируют схемы на традиционных макетных платах, а затем накладывают их на прототип продукта.
Если схему нужно изменить, ее возвращают на макет для тестирования и т. Д.
В документе, представленном на CHI (Конференция по человеческому фактору в вычислительных системах), исследователи описывают "CurveBoards", 3D-печатные объекты со структурой и функцией макета, интегрированными на их поверхности. Специальное программное обеспечение автоматически проектирует объекты с распределенными отверстиями, которые можно заполнять проводящим силиконом для проверки электроники. Конечные продукты – это точные копии реальных вещей, но с макетными поверхностями.
CurveBoards «сохраняет внешний вид объекта», пишут исследователи в своей статье, позволяя дизайнерам опробовать конфигурации компонентов и тестировать интерактивные сценарии во время итераций прототипирования. В своей работе исследователи напечатали CurveBoards для умных браслетов и часов, фрисби, шлемов, наушников, чайника и гибкого носимого электронного устройства.
"На макетных платах вы прототипируете функцию схемы.
Но у вас нет контекста его формы – как электроника будет использоваться в реальной среде прототипа », – говорит первый автор Джуньи Чжу, аспирант Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL). «Наша идея состоит в том, чтобы заполнить этот пробел и объединить тестирование форм и функций на очень ранней стадии прототипирования объекта. … CurveBoards по существу добавляет дополнительную ось к существующим [трехмерным] осям XYZ объекта – ось «функции»."
К Чжу, написавшему статью, присоединились аспиранты CSAIL Лотта-Гили Блумберг, Мартин Ниссер и Итан Леви Карлсон; Студенты бакалавриата факультета электротехники и информатики (EECS) Джессика Эйели Куэй и Синь Вэнь; бывшие студенты бакалавриата EECS Юньи Чжу и Кевин Шум; и Стефани Мюллер, доцент по развитию карьеры консорциума X-Window Consortium, EECS.
Программное и аппаратное обеспечение на заказ
Основным компонентом CurveBoard является программное обеспечение для редактирования дизайна. Пользователи импортируют 3D-модель объекта. Затем они выбирают команду «создать точечные отверстия», и программное обеспечение автоматически отображает все точечные отверстия равномерно по всему объекту. Затем пользователи выбирают автоматические или ручные макеты для каналов подключения.
Автоматический вариант позволяет пользователям исследовать разную схему соединений во всех отверстиях одним нажатием кнопки. Для ручной компоновки можно использовать интерактивные инструменты, чтобы выбрать группы отверстий и указать тип соединения между ними. Окончательный дизайн экспортируется в файл для 3D-печати.
Когда 3D-объект загружается, программное обеспечение, по сути, превращает его форму в "четырехугольную сетку", где объект представлен в виде группы маленьких квадратов, каждый с индивидуальными параметрами.
При этом создается фиксированный интервал между квадратами. Точечные отверстия – конусы с широким концом на поверхности и сужающимся вниз – будут размещены в каждой точке, где углы квадратов соприкасаются. Для компоновки каналов некоторые геометрические методы гарантируют, что выбранные каналы будут соединять желаемые электрические компоненты без пересечения друг с другом.
В своей работе исследователи напечатали объекты на 3D-принтере, используя гибкий, прочный, непроводящий силикон. Чтобы обеспечить каналы связи, они создали специальный проводящий силикон, который можно вводить шприцем в отверстия, а затем течь через каналы после печати.
Силикон представляет собой смесь силиконовых материалов, обладающих минимальным сопротивлением электричеству, что позволяет функционировать электронике различных типов.
Чтобы проверить CurveBoards, исследователи напечатали множество умных продуктов. Например, наушники были оснащены элементами управления меню для динамиков и возможностью потоковой передачи музыки.
Интерактивный браслет включал в себя цифровой дисплей, светодиод и фоторезистор для мониторинга сердечного ритма, а также датчик подсчета шагов. Чайник включал в себя небольшую камеру для отслеживания цвета чая, а также цветные индикаторы на ручке, указывающие на горячие и холодные участки. Они также напечатали носимое устройство для чтения электронных книг с гибким дисплеем.
Лучшее и быстрое прототипирование
В ходе исследования пользователей команда исследовала преимущества прототипирования CurveBoards. Они разделили шесть участников с разным опытом создания прототипов на две части: одна использовала традиционные макеты и объект, напечатанный на 3D-принтере, а другая использовала только CurveBoard объекта. Обе секции спроектировали один и тот же прототип, но переключались между секциями после выполнения обозначенных задач. В итоге пять из шести участников предпочли прототипирование с помощью CurveBoard.
Отзывы показали, что CurveBoards в целом быстрее и с ними проще работать.
Но CurveBoards не предназначены для замены макетов, говорят исследователи. Вместо этого они будут особенно хорошо работать в качестве так называемого этапа «средней точности» на временной шкале прототипирования, то есть между первоначальным тестированием макета и конечным продуктом. «Людям нравятся макеты, и бывают случаи, когда их можно использовать», – говорит Чжу. "Это когда вы имеете представление о конечном объекте и хотите увидеть, например, как люди взаимодействуют с продуктом. Легче иметь CurveBoard вместо схем, установленных поверх физического объекта."
Затем исследователи надеются разработать общие шаблоны обычных предметов, таких как шляпы и браслеты. Прямо сейчас для каждого нового объекта должен быть создан новый CurveBoard. Готовые шаблоны, однако, позволят дизайнерам быстро поэкспериментировать с базовыми схемами и взаимодействием с пользователем, прежде чем создавать свои конкретные CurveBoard.
Кроме того, исследователи хотят полностью перенести некоторые этапы создания прототипов на раннем этапе в сторону программного обеспечения. Идея состоит в том, что люди могут проектировать и тестировать схемы – и, возможно, взаимодействие с пользователем – полностью на 3D-модели, созданной с помощью программного обеспечения. После многих итераций они могут напечатать на 3D-принтере более доработанную доску CurveBoard. «Таким образом вы будете точно знать, как это будет работать в реальном мире, что позволит быстро создавать прототипы», – говорит Чжу. "Это было бы более точным шагом для создания прототипа."