Что, если предмет сам сможет сообщить, правильно ли вы им пользуетесь? Причем для этого ему не понадобятся батарейки, микросхемы, датчики или даже подключение к интернету.
Именно такую концепцию разработали исследователи Массачусетского технологического института (MIT). Их система ShiftLens позволяет создавать на 3D-принтере объекты с механически изменяемой внешностью. Цвет или рисунок на поверхности меняется в зависимости от того, в каком положении находится предмет. Благодаря этому упаковка, крышка или другой объект может буквально показывать пользователю, все ли сделано правильно.
Как работает ShiftLens
В основе технологии лежит хорошо известный оптический принцип — лентикулярная оптика. Наверняка вы видели открытки или изображения, которые меняются при наклоне. Их поверхность покрыта множеством небольших прозрачных линз, направляющих свет от разных участков изображения в зависимости от угла обзора.
Исследователи MIT использовали похожую идею, но объединили ее с механикой самого объекта. В конструкции ShiftLens слой прозрачных наклонных ребер перемещается относительно расположенного под ним изображения. Когда пользователь немного поворачивает, сдвигает или нажимает на определенную часть предмета, оптическая система меняет то, что становится видимым на его поверхности.
Получается своеобразный механический дисплей. Только вместо электронных пикселей здесь работают геометрия, движение и свет.
Это и есть ключевая особенность ShiftLens: объект получает динамическую поверхность, но при этом вообще не нуждается в электронике.
Предмет сам сообщает об ошибке
Практическая идея особенно интересна там, где важно сразу заметить неправильное положение или неполное закрытие.
Представим флакон с лекарством. Если крышка закрыта правильно, поверхность может показывать один цвет или рисунок. Если крышка не дошла до нужного положения, оптический механизм смещается — и появляется другой визуальный сигнал.
То же самое можно применить к различным контейнерам, защитным крышкам, упаковке или конструкциям, где необходимо контролировать состояние соединения. По сути, предмет получает собственный механический индикатор, который не требует отдельного дисплея.
Исследователи также рассматривают возможность использования ShiftLens для обнаружения проблем с трубами и уплотнениями. Если соединение нарушается или элемент перемещается из правильного положения, внешний вид поверхности меняется и предупреждает пользователя.
Почему отсутствие электроники — большое преимущество
На первый взгляд может показаться странным возвращаться к чисто механическим решениям в эпоху миниатюрных датчиков и беспроводных модулей. Однако у такого подхода есть серьезное преимущество: ломаться здесь практически нечему.
Электронный индикатор требует питания, электроники и защиты от внешней среды. Его может вывести из строя вода, удар или повреждение электрических компонентов. ShiftLens обходится без всего этого.
Если предмет намокнет под дождем или даже окажется в воде, его механико-оптический индикатор продолжит работать. То же касается ситуаций, когда объект подвергся встряске или попытке изменить его состояние: пока механическая конструкция остается исправной, визуальный сигнал сохраняется.
Для некоторых задач это может оказаться гораздо надежнее простого электронного дисплея.
Как создать такой объект на 3D-принтере
Еще одна интересная сторона проекта — способ изготовления.
ShiftLens рассчитана на мультиматериальную 3D-печать. Весь объект можно изготовить за один цикл печати, не собирая сложный механизм из множества отдельных деталей.
При этом исследователи разработали специальный программный инструмент, позволяющий проектировать подобные оптомеханические конструкции без глубоких знаний оптики или механики. Пользователю достаточно задать сравнительно простые параметры — например, форму и кривизну будущего объекта. Программа затем рассчитывает необходимую структуру.
Именно здесь технология становится особенно интересной для 3D-печати. Речь идет уже не просто о создании детали заданной формы, а о программировании ее физического поведения.
От упаковки до игрушек
Потенциальных применений у ShiftLens гораздо больше, чем может показаться по первому прототипу.
Инженеры могут использовать технологию для визуальных индикаторов состояния механизмов и соединений. Архитекторы — для интерактивных элементов конструкций. Художники и дизайнеры — для создания объектов, которые меняют внешний вид при физическом воздействии.
Подобные механизмы могут найти применение в одежде, ювелирных изделиях, игрушках и играх. Причем пользователь взаимодействует с ними совершенно естественно: поворачивает, нажимает или сдвигает элемент — и поверхность отвечает изменением цвета или рисунка.
По сути, исследователи предлагают новый тип интерфейса, в котором сама форма предмета становится одновременно органом управления и дисплеем.
Что будет дальше
Команда MIT пока не считает разработку завершенной. Следующий этап — упростить алгоритмы ShiftLens, чтобы для проектирования требовалось еще меньше параметров. Параллельно ученые хотят расширить возможности программного инструмента, чтобы он мог автоматически создавать более широкий спектр оптомеханических конструкций.
Сам принцип относится к гораздо более широкой области оптомеханики — технологии, объединяющей оптические и механические элементы. Подобные системы используются в телескопах и миниатюрных проекторах, а более экзотические варианты включают так называемые «оптические тяговые лучи» и квантовые оптомеханические зеркала.
ShiftLens выглядит гораздо прозаичнее таких разработок, но именно в этом и заключается ее привлекательность. Ученые взяли сложные оптические принципы и попытались превратить их в доступный инструмент для создания повседневных предметов.
Возможно, в будущем некоторые вещи действительно научатся «говорить» с нами — не через экран и динамик, а просто меняя собственную поверхность. И для этого им не понадобится ни одна батарейка.
