Представьте себе iPad, который является чем—то большим, чем просто iPad — с поверхностью, которая может изменяться и деформироваться, позволяя вам рисовать 3D-рисунки, создавать хайку, которые выскакивают с экрана, и даже держать за руку вашего партнера, находясь за океаном.
Таково видение команды инженеров из Университета Колорадо в Боулдере. В новом исследовании они создали единственный в своем роде дисплей, меняющий форму, который помещается на карточном столе. Устройство изготовлено из сетки размером 10 на 10 мягких роботизированных «мышц», которые могут ощущать внешнее давление и всплывать, создавая узоры. Он достаточно точен, чтобы генерировать прокручиваемый текст, и достаточно быстр, чтобы встряхнуть химический стакан, наполненный жидкостью.
Это также может дать нечто еще более редкое: чувство осязания в эпоху цифровых технологий.
«По мере развития технологий мы начали с отправки текста на большие расстояния, затем аудио, а теперь и видео», — сказал Брайан Джонсон, один из двух ведущих авторов нового исследования, получивший докторскую степень в области машиностроения в Калифорнийском университете в Боулдере в 2022 году. «Но нам все еще не хватает контакта».
Джонсон и его коллеги описали свое отображение формы 31 июля в журнале Nature Communications.
Инновация группы основана на классе мягких роботов, впервые разработанных командой под руководством Кристофа Кеплингера, бывшего доцента кафедры машиностроения в Калифорнийском университете в Боулдере. Они называются самовосстанавливающимися электростатическими приводами с гидравлическим усилением (HASEL). Прототип дисплея еще не готов к выходу на рынок. Но исследователи предполагают, что однажды подобные технологии могут привести к созданию сенсорных перчаток для виртуальных игр или умной конвейерной ленты, которая может перемещаться волнообразно для сортировки яблок от бананов.
«Вы могли бы представить себе расположение этих чувствительных и исполнительных элементов в любом количестве различных форм и комбинаций», — сказал Мантас Нарис, соавтор статьи и докторант факультета машиностроения имени Пола М. Рэди. «На самом деле нет предела тому, к чему эти технологии могут, в конечном счете, привести».
Играет на аккордеоне
Проект берет свое начало в поисках другого вида технологии: синтетических органов.
В 2017 году исследователи во главе с Марком Рентшлером, профессором машиностроения и биомедицинской инженерии, получили финансирование для разработки того, что они называют sTISSUE — мягких органов, которые ведут себя и ощущаются как настоящие части человеческого тела, но полностью сделаны из материалов, похожих на силикон.
Среди соавторов гранта — Кеплингер, ныне директор Института интеллектуальных систем Макса Планка в Германии; Николаус Коррелл, доцент кафедры компьютерных наук Калифорнийского университета в Боулдере; и Шон Гумберт, профессор машиностроения.
Новый дисплей, изменяющий форму, может воспринимать прикосновения человека и реагировать на них. Источник: Университет Колорадо в Боулдере
«Вы могли бы использовать эти искусственные органы для разработки медицинских устройств или хирургических роботизированных инструментов с гораздо меньшими затратами, чем при использовании настоящих тканей животных», — сказал Рентшлер, соавтор нового исследования.
Однако при разработке этой технологии команда остановилась на идее настольного дисплея. Исследование является частью программы «Материаловедение и инженерия».
Дизайн группы размером примерно с игровую доску для игры в Скрэббл и, как и одна из таких досок, состоит из маленьких квадратиков, расположенных в виде сетки. В этом случае каждый из 100 квадратов является индивидуальным приводом HASEL. Приводы изготовлены из пластиковых пакетов в форме крошечных гармошек. Если вы пропускаете через них электрический ток, жидкость перемещается внутри мешочков, заставляя гармошку расширяться и подпрыгивать вверх.
Приводы также оснащены мягкими магнитными датчиками, которые могут распознавать, когда вы нажимаете на них. По словам Джонсона, в настоящее время постдокторского исследователя в Институте интеллектуальных систем Макса Планка, это позволяет проводить увлекательные занятия.
«Поскольку датчики основаны на магнитах, мы можем использовать магнитную палочку для рисования на поверхности дисплея», — сказал он.
Слышишь это?
Другие исследовательские группы разработали аналогичные смарт-планшеты, но дисплей CU Boulder мягче, занимает гораздо меньше места и работает намного быстрее. Каждая из его роботизированных мышц может активироваться до 50 раз в секунду.
Сейчас исследователи сосредоточены на уменьшении размеров приводов, чтобы увеличить разрешение дисплея — почти как добавление большего количества пикселей к экрану компьютера.
«Представьте, если бы вы могли загрузить статью на свой телефон, и она отображалась бы на вашем экране шрифтом Брайля», — сказала Нэрис.
Группа также работает над тем, чтобы вывернуть дисплей наизнанку. Таким образом, инженеры могли бы сконструировать перчатку, которая касается кончиков ваших пальцев, позволяя вам «чувствовать» объекты в виртуальной реальности.
И, по словам Рентшлера, дисплей может принести кое-что еще: немного тишины и покоя.
«Наша система, по сути, бесшумна. Приводы практически не издают шума.»