Теперь исследователи из Media Lab Массачусетского технологического института нашли способ обойти важный этап проектирования в трехмерной печати, чтобы быстро и эффективно моделировать и печатать тысячи структур, похожих на волосы. Вместо того, чтобы использовать обычное программное обеспечение автоматизированного проектирования (САПР) для рисования тысяч отдельных волосков на компьютере — шаг, на вычисление которого потребовались бы часы — команда создала новую программную платформу под названием «Cilllia», которая позволяет пользователям определять угол, толщину, густоту и высоту тысяч волосков всего за несколько минут.
Используя новое программное обеспечение, исследователи разработали массивы структур, похожих на волосы, с разрешением 50 микрон — шириной с человеческий волос. Играя с различными размерами, они спроектировали и распечатали массивы от грубой щетины до тонкого меха на плоских и изогнутых поверхностях с помощью обычного трехмерного принтера. Они представили документ с подробным описанием результатов на конференции CHI Ассоциации вычислительной техники по человеческому фактору в вычислительных системах в мае.
Можно ли использовать эту технологию для печати париков и наращивания волос? Возможно, говорят исследователи. Но это не их конечная цель. Вместо этого они видят, как волосы с трехмерной печатью могут выполнять полезные задачи, такие как зондирование, адгезия и приведение в действие.
Чтобы продемонстрировать адгезию, команда напечатала массивы, которые действуют как подушечки из щетины, похожие на липучки. В зависимости от угла наклона щетинок подушечки могут прилипать друг к другу с разной силой. Для восприятия исследователи напечатали небольшую пушистую фигурку кролика, оснащенную светодиодными лампами, которые загораются, когда человек гладит кролика в определенных направлениях.
И чтобы увидеть, могут ли волосы с трехмерной печатью помогать приводить в движение или перемещать объекты, команда изготовила стол для сортировки по весу, сделанный из панелей с напечатанными волосами с заданными углами и высотой. Когда небольшой источник вибрации сотряс панели, волоски смогли перемещать монеты по столу, сортируя их по весу монет и частоте вибрации.
Джифей Оу, аспирантка, специализирующаяся на медиаискусствах и науках, говорит, что эта работа вдохновлена структурами, напоминающими волосы в природе, которые обеспечивают такие преимущества, как тепло, в случае человеческих волос, и движение, в случае ресничек, которые помогают удалить пыль из легких.«Очень вдохновляет видеть, как эти структуры встречаются в природе и как они могут выполнять различные функции», — говорит Оу. «Мы просто пытаемся понять, как мы можем полностью использовать потенциал трехмерной печати и создать новые функциональные материалы, свойства которых можно легко настраивать и контролировать».Оу — ведущий автор статьи, в которую также входят аспиранты Гершон Дублон и Чин-И Ченг; Феликс Хейбек, бывший научный сотрудник; Хироши Исии, профессор Джерома Б. Визнера в области медиаискусства и науки; и Карл Уиллис из Addimation, Inc.
Программная проблемаРазрешение сегодняшних 3-D принтеров «уже довольно высокое», — говорит Оу. «Но мы не используем [3-D печать] в меру своих возможностей».
Команда искала для печати вещи, которые позволили бы проверить пределы возможностей технологии. Оказалось, что волосы были идеальным предметом.«[Волосы] сталкиваются с проблемой, которая заключается не в аппаратном обеспечении, а в программном обеспечении», — говорит Оу.Для трехмерной печати волос с использованием существующего программного обеспечения дизайнеры должны были бы смоделировать волосы в САПР, вычерчивая каждую отдельную прядь, а затем пропустить рисунок через программу-резак, которая представляет контур каждого волоса в виде сетки крошечных треугольников.
Затем программа создаст горизонтальные поперечные сечения треугольной сетки и переведет каждое поперечное сечение в пиксели или растровое изображение, которое затем может распечатать принтер, слой за слоем.Оу говорит, что создание массива из 6000 волосков размером с штамп с использованием этого процесса займет несколько часов.
«Если бы вы загрузили этот файл в обычную программу нарезки фрагментов, это привело бы к сбою программы», — говорит он.Пиксели волосПри разработке волос исследователи решили полностью отказаться от моделирования с помощью САПР.
Вместо этого они создали новую программную платформу для моделирования сначала одного волоса, затем массива волос и, наконец, для печати массивов как на плоских, так и на изогнутых поверхностях.Исследователи смоделировали одиночный волос, представив удлиненный конус в виде стопки все меньшего и меньшего количества пикселей, от основания до вершины. Чтобы изменить размеры волос, такие как их высота, угол и ширина, они просто изменили расположение пикселей в конусе.Чтобы масштабировать до тысяч волосков на плоской поверхности, Оу и его команда использовали Photoshop для создания техники наложения цветов.
Они использовали три цвета — красный, зеленый и синий — для обозначения трех параметров волос — высоты, ширины и угла. Например, чтобы сделать круговой участок волос с более высокими прядями по краю, они нарисовали красный круг и изменили цветовой градиент таким образом, что более темные оттенки красного появились по краю круга, обозначая более высокие волосы. Затем они разработали алгоритм для быстрого преобразования цветовой карты в модель массива волос, которую они затем отправили на трехмерный принтер.
Используя эти методы, команда напечатала подушечки из щетины, напоминающей липучку, и кисти с различной текстурой и плотностью.Нечеткое рисованиеПечатать волосы на изогнутых поверхностях оказалось сложнее. Для этого команда сначала импортировала CAD-чертеж изогнутой поверхности, например, маленького кролика, а затем пропустила модель через программу нарезки, чтобы сгенерировать треугольную сетку в форме кролика.
Затем они разработали алгоритм для определения центра основания каждого треугольника, а затем виртуально нарисовали линию, перпендикулярную основанию треугольника, чтобы представить один волос. Выполнение этого для каждого треугольника в сетке создало густой массив волосков, идущих перпендикулярно изогнутой поверхности кролика.Затем исследователи использовали свои методы цветового картирования, чтобы быстро настроить толщину и жесткость шерсти кролика.«С нашим методом все становится гладким и быстрым», — говорит Оу. «Раньше это было практически невозможно, потому что кто собирался потратить целый день на то, чтобы нарисовать целого пушистого кролика, а потом потратить еще день, чтобы сделать его пригодным для печати?»
Помимо прочего, Оу говорит, что волосы с трехмерной печатью можно использовать в интерактивных игрушках. Чтобы продемонстрировать это, его команда вставила светодиодную лампу в пушистого отпечатанного кролика вместе с небольшим микрофоном, который улавливает вибрации. При такой настройке кролик становится зеленым, когда его правильно гладят, и красным, когда это не так.
«Возможность изготавливать индивидуальные структуры, похожие на волосы, не только расширяет библиотеку форм для трехмерной печати, но также позволяет нам разрабатывать альтернативные исполнительные механизмы и датчики», — заключают авторы в своей статье. «Волосы с трехмерной печатью можно использовать для создания повседневных интерактивных объектов».