Utiliser des « cartes courbes » imprimées en 3D pour l’intégration de l’électronique dans les prototypes

Afin de fournir un moyen plus rapide et plus facile de tester les fonctions des circuits et les interactions des utilisateurs avec des produits tels que les dispositifs intelligents et les appareils électroniques flexibles, les chercheurs du MIT utilisent des « cartes courbes » imprimées en 3D pour faciliter l’intégration de l’électronique dans les produits.

Le mot « CurveBoards » (« cartes courbes ») vient de la déformation du mot « breadboards » (platines d’expérimentation). La forme en trou d’épingle des platines d’expérimentation est restée la même pendant des décennies rendant difficile le test d’apparence de l’électronique sur les appareils intelligents.

En général, les gens commencent par tester les circuits sur des plaques d’affichage traditionnelles, puis les placent sur un prototype de produit. Si le circuit doit être modifié, il est à nouveau testé sur la plaque d’affichage, etc.

Dans un article présenté à la CHI (Conference on Human Factors in Computing Systems), les chercheurs décrivent les « CurveBoards », des objets imprimés en 3D dont la structure et la fonction sont celles d’un tableau d’affichage intégré à leur surface. Un logiciel personnalisé conçoit automatiquement les objets, avec des trous d’épingle répartis qui peuvent être remplis de silicone conducteur pour tester l’électronique. Les produits finaux sont des représentations exactes de la réalité, mais avec des surfaces en carton-plastique.

Les CurveBoards « préservent l’aspect et le toucher d’un objet« , écrivent les chercheurs dans leur article, tout en permettant aux concepteurs d’essayer des configurations de composants et de tester des scénarios interactifs lors des itérations de prototypage. Dans le cadre de leurs travaux, les chercheurs ont imprimé des CurveBoards pour des bracelets et des montres intelligents, des frisbees, des casques, des écouteurs, une théière et un lecteur électronique flexible et portable.

« Sur les tableaux d’affichage, vous prototypez la fonction d’un circuit. Mais vous n’avez pas le contexte de sa forme – comment l’électronique sera utilisée dans un environnement prototype du monde réel« , explique le premier auteur Junyi Zhu, étudiant diplômé du laboratoire d’informatique et d’intelligence artificielle (CSAIL). « Notre idée est de combler cette lacune, et de fusionner les tests de forme et de fonction dès les premières étapes du prototypage d’un objet. … Les CurveBoards ajoutent essentiellement un axe supplémentaire aux axes XYZ [tridimensionnels] existants de l’objet – l’axe « fonction »«  ».

Logiciels et matériels personnalisés

L’un des principaux composants de la CurveBoard est un logiciel d’édition de conception personnalisé. Les utilisateurs importent un modèle 3D d’un objet. Ensuite, ils sélectionnent la commande « générer des trous d’épingle » et le logiciel mappe automatiquement tous les trous d’épingle uniformément sur l’objet. Les utilisateurs choisissent ensuite des mises en page automatiques ou manuelles pour les canaux de connectivité. L’option automatique permet aux utilisateurs d’explorer une disposition différente des connexions dans tous les trous d’épingle en cliquant sur un bouton. Pour les mises en page manuelles, des outils interactifs peuvent être utilisés pour sélectionner des groupes de trous d’épingle et indiquer le type de connexion entre eux. Le dessin final est exporté dans un fichier pour être imprimé en 3D.

Lorsqu’un objet 3D est téléchargé, le logiciel force essentiellement sa forme dans un « quadmesh » – où l’objet est représenté comme un groupe de petits carrés, chacun avec des paramètres individuels. Ce faisant, il crée un espacement fixe entre les carrés. Des trous d’épingle – qui sont des cônes, avec l’extrémité large sur la surface et s’effilant vers le bas – seront placés à chaque point où les coins des carrés se touchent. Pour la disposition des canaux, certaines techniques géométriques garantissent que les canaux choisis connecteront les composants électriques souhaités sans se croiser.

Dans leurs travaux, les chercheurs ont imprimé des objets en 3D à l’aide d’un silicone souple, durable et non conducteur. Pour fournir des canaux de connexion, ils ont créé un silicone conducteur personnalisé qui peut être serti dans les trous d’épingle et qui s’écoule ensuite dans les canaux après l’impression. Le silicone est un mélange de matériaux conçus pour avoir une résistance électrique minimale, permettant à divers types d’appareils électroniques de fonctionner.

Pour valider les CurveBoards, les chercheurs ont imprimé une variété de produits intelligents. Les écouteurs, par exemple, étaient équipés de commandes de menu pour les haut-parleurs et de capacités de diffusion de musique en continu. Un bracelet interactif comprenait un affichage numérique, une LED et une photorésistance pour la surveillance du rythme cardiaque, ainsi qu’un capteur de comptage de pas. Une théière comprenait un petit appareil photo pour suivre la couleur du thé, ainsi que des lumières colorées sur la poignée pour indiquer les zones chaudes et froides. Ils ont également imprimé un lecteur de livres électroniques portable avec un affichage flexible.

Un meilleur prototypage et plus rapide

Dans une étude sur les utilisateurs, l’équipe a étudié les avantages du prototypage de CurveBoards. Elle a divisé six participants ayant une expérience variable du prototypage en deux sections : L’un a utilisé des planches à pain traditionnelles et un objet imprimé en 3D, et l’autre a utilisé uniquement une CurveBoard de l’objet. Les deux sections ont conçu le même prototype, mais sont passées d’une section à l’autre après avoir accompli les tâches prévues. Au final, cinq des six participants ont préféré le prototypage avec la CurveBoard. Les réactions ont indiqué que les CurveBoards étaient dans l’ensemble plus rapides et plus faciles à utiliser.

Mais les CurveBoards ne sont pas conçues pour remplacer les platines d’expérimentation, affirment les chercheurs. Au contraire, elles fonctionneraient particulièrement bien en tant qu’étape dite de « mi-fidélité » dans le calendrier de prototypage, c’est-à-dire entre les premiers tests de la planche à pain et le produit final. « Les gens adorent les tableaux d’affichage, et il y a des cas où ils peuvent être utilisés sans problème« , déclare Zhu. « C’est pour les cas où vous avez une idée de l’objet final et où vous voulez voir, par exemple, comment les gens interagissent avec le produit. Il est plus facile d’avoir une CurveBoard plutôt que des circuits empilés sur un objet physique« .

Ensuite, les chercheurs espèrent concevoir des modèles généraux d’objets courants, tels que des chapeaux et des bracelets. Pour l’instant, une nouvelle « carte courbe » doit être construite pour chaque nouvel objet. Des modèles prêts à l’emploi permettraient toutefois aux concepteurs d’expérimenter rapidement les circuits de base et l’interaction avec l’utilisateur, avant de concevoir leur CurveBoard spécifique.

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