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La incorporación de sensores en los mecanismos de giro podría permitir a los ingenieros construir 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 integrarse manualmente, una vez que el dispositivo ya se ha producido.
Sin embargo, la integración manual de sensores no es una tarea fácil. Incrustarlos dentro de un dispositivo y los cables podrían enredarse en las piezas 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 desarrollado por los investigadores del MIT permite que un fabricante imprima sensores 3D directamente en las partes móviles de un mecanismo utilizando un filamento conductor de impresión 3D. 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 de múltiples materiales. Estos tipos de impresoras utilizan múltiples materiales al mismo tiempo para hacer un dispositivo.
Para agilizar el proceso de fabricación, los investigadores crearon un complemento para el software de diseño asistido por computadora de SolidWorks que incrusta automáticamente sensores en un modelo del mecanismo, que luego podría enviarse directamente a la impresora 3D para su 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. Esto podría ser particularmente útil en la creación de interfaces de usuario tangibles para entornos de realidad aumentada, donde la detección es esencial 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 creados por fábricas o instituciones especializadas y luego ponerlos a disposición de las personas. La impresión 3D es una herramienta que muchas personas pueden permitirles tener en sus hogares. Entonces, ¿cómo podemos proporcionar al fabricante promedio las herramientas para desarrollar este tipo de mecanismos interactivos? En última instancia, 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 becario postdoctoral en el Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT, quien 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 CSAIL Fellow; 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 giratorio de forma que no interfiriera con el movimiento del dispositivo, los investigadores explotaron la detección capacitiva.
Un capacitor consta de dos placas de material conductor que tienen 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. Esta 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 esto para el diseño de nuestros sensores”, dice AlAlawi.
Los mecanismos giratorios generalmente consisten en un elemento giratorio 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 es el elemento estacionario.
El sensor MechSense consta de tres parches hechos de un material conductor que se imprimen en la placa fija, con cada parche separado de sus vecinos por un material no conductor. Un cuarto parche de material conductor, que tiene la misma área que los otros tres parches, está impreso en la placa giratoria.
A medida que el dispositivo gira, el parche en la plataforma giratoria, llamado condensador flotante, se superpone a cada uno de los parches en la placa estacionaria. A medida que cambia la superposición entre el parche rotatorio y cada parche fijo (de completamente cubierto, medio cubierto o no cubierto en absoluto), cada parche detecta individualmente el cambio resultante en la capacidad.
El condensador flotante no está conectado a ningún circuito, por lo que los cables no se enredan con los componentes giratorios.
En cambio, los parches fijos están cableados a la electrónica que utiliza un software desarrollado por los investigadores para convertir los datos sin procesar de los sensores en estimaciones de la posición angular, la dirección de rotación y la velocidad de rotación.
Habilite 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, junto con el centro de rotación, y luego el sistema agrega automáticamente parches de sensores al modelo.
“No cambia el diseño de ninguna manera. Simplemente reemplaza parte del dispositivo con un material diferente, en este caso un 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.
A medida que avanzaba la creación de prototipos, el equipo también realizó experimentos técnicos para refinar el diseño de su sensor. Descubrieron que a medida que reducían el tamaño de los parches, aumentaba la cantidad de errores 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 el mismo enfoque y tal vez usamos un material o proceso de fabricación diferente, creo que podemos reducir y acumular menos errores al usar la misma geometría”, dice.
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.
