A integração de sensores em mecanismos rotativos pode tornar possível aos engenheiros construir dobradiças inteligentes que sabem quando uma porta foi aberta, ou engrenagens dentro de um motor que dizem a um mecânico quão rápido eles estão a rodar. Os engenheiros do MIT desenvolveram agora uma forma de integrar facilmente os sensores nestes tipos de mecanismos, com impressão 3D.

Embora os avanços na impressão 3D permitam a rápida fabricação de mecanismos rotacionais, a integração de sensores nos desenhos ainda é notoriamente difícil. Devido à complexidade das peças rotativas, os sensores são normalmente incorporados manualmente, após o dispositivo já ter sido produzido.

Contudo, a integração manual de sensores não é uma tarefa fácil. Incorporá-los dentro de um dispositivo e os fios podem ficar emaranhados nas partes rotativas ou obstruir as suas rotações, mas montar sensores externos aumentaria o tamanho de um mecanismo e potencialmente limitaria o seu movimento.

Em vez disso, o novo sistema que os investigadores do MIT desenvolveram permite que um fabricante possa imprimir sensores 3D directamente nas partes móveis de um mecanismo usando um filamento condutor de impressão 3D. Isto dá aos dispositivos a capacidade de detectar a sua posição angular, velocidade de rotação, e direcção de rotação.

Com o seu sistema, chamado MechSense, um fabricante pode fabricar mecanismos rotativos com sensores integrados em apenas uma passagem usando uma impressora 3D multi-material. Estes tipos de impressoras utilizam múltiplos materiais ao mesmo tempo para fabricar um dispositivo.

Para simplificar o processo de fabrico, os investigadores construíram um plugin para o software de desenho assistido por computador SolidWorks que integra automaticamente os sensores num modelo do mecanismo, que poderia então ser enviado directamente para a impressora 3D para fabrico.

A MechSense poderia permitir que os engenheiros prototipassem rapidamente dispositivos com peças rotativas, como turbinas ou motores, enquanto incorporam a detecção directamente nos desenhos. Pode ser especialmente útil na criação de interfaces de utilizador tangíveis para ambientes de realidade aumentada, onde a detecção é crítica para seguir os movimentos de um utilizador e a interacção com objectos.

“Muitas das pesquisas que fazemos no nosso laboratório envolvem métodos de fabricação que as fábricas ou instituições especializadas criam e depois tornam acessíveis às pessoas. A impressão em 3D é uma ferramenta que muitas pessoas se podem dar ao luxo de ter em suas casas. Então, como podemos fornecer ao fabricante médio as ferramentas necessárias para desenvolver estes tipos de mecanismos interactivos? No final das contas, esta pesquisa gira toda em torno desse objectivo”, diz Marwa AlAlawi, estudante de engenharia mecânica e autora principal de um artigo sobre a MechSense.

Os co-autores de AlAlawi incluem Michael Wessely, um antigo postdoc do MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) que é agora professor assistente na Universidade de Aarhus; e a autora sénior Stefanie Mueller, professora associada nos departamentos de Engenharia Electrotécnica e Informática e Engenharia Mecânica do MIT, e membro do CSAIL; assim como outros do MIT e colaboradores do Accenture Labs. A pesquisa será apresentada na ACM CHI Conference on Human Factors in Computing Systems.

Sensoriamento embutido

Para incorporar sensores num mecanismo de rotação de forma a não perturbar o movimento do dispositivo, os investigadores aproveitaram a detecção capacitiva.

Um condensador consiste em duas placas de material condutor que têm um material isolante colado entre elas. Se a área de sobreposição ou distância entre as placas condutoras for alterada, talvez através da rotação do mecanismo, um sensor capacitivo pode detectar as alterações resultantes no campo eléctrico entre as placas. Essa informação poderia então ser usada para calcular a velocidade, por exemplo.

“Na detecção capacitiva, não precisa necessariamente de ter contacto entre as duas placas condutoras opostas para monitorizar as mudanças naquele sensor específico. Tirámos partido disso para o nosso design de sensores”, diz AlAlawi.

Os mecanismos rotacionais consistem tipicamente num elemento rotativo localizado acima, abaixo, ou ao lado de um elemento estacionário, como uma engrenagem que gira sobre um eixo estático acima de uma superfície plana. A engrenagem rotativa é o elemento rotativo e a superfície plana por baixo dele é o elemento estacionário.

O sensor MechSense inclui três remendos feitos de material condutor que são impressos na placa estacionária, com cada remendo separado dos seus vizinhos por material não condutor. Um quarto remendo de material condutor, que tem a mesma área que os outros três remendos, é impresso na placa rotativa.

À medida que o dispositivo gira, o remendo na placa rotativa, chamado condensador flutuante, sobrepõe-se a cada um dos remendos na placa estacionária, por sua vez. À medida que a sobreposição entre o penso rotativo e cada penso estacionário muda (de completamente coberto, para meio coberto, para não coberto de todo), cada penso individualmente detecta a alteração resultante na capacidade.

O condensador flutuante não está ligado a nenhum circuito, por isso os fios não ficam emaranhados com componentes rotativos.

Em vez disso, os patches estacionários estão ligados à electrónica que utiliza software desenvolvido pelos investigadores para converter dados brutos do sensor em estimativas da posição angular, direcção de rotação e velocidade de rotação.

Possibilitando a prototipagem rápida

Para simplificar o processo de integração de sensores para um utilizador, os investigadores construíram uma extensão SolidWorks. Um fabricante especifica as partes rotativas e estacionárias do seu mecanismo, bem como o centro de rotação, e depois o sistema adiciona automaticamente patches de sensores ao modelo.

“Não altera em nada o design. Apenas substitui parte do dispositivo por um material diferente, neste caso, material condutor”, diz AlAlawi.

Os investigadores usaram o seu sistema para protótipo de vários dispositivos, incluindo um candeeiro de secretária inteligente que muda a cor e o brilho da sua luz, dependendo de como o utilizador roda o fundo ou o meio do candeeiro. Eles também produziram uma caixa de engrenagem planetária, como as que são usadas em braços robóticos, e uma roda que mede a distância à medida que ela rola sobre uma superfície.

Ao fazer o protótipo, a equipa também realizou experiências técnicas para afinar o desenho dos seus sensores. Descobriram que, à medida que reduziam o tamanho das correcções, a quantidade de erros nos dados dos sensores aumentava.

“Num esforço para gerar dispositivos electrónicos com muito pouco lixo electrónico, queremos dispositivos com pegadas mais pequenas que ainda possam ter um bom desempenho. Se adoptarmos a mesma abordagem e talvez usarmos um material ou processo de fabrico diferente, penso que podemos reduzir a escala enquanto acumulamos menos erros usando a mesma geometria”, diz ela.

Para além de testar diferentes materiais, AlAlawi e os seus colaboradores planeiam explorar como poderiam aumentar a robustez do seu design de sensores ao ruído externo, e também desenvolver sensores imprimíveis para outros tipos de mecanismos móveis.

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