Billigt och lätt att anpassa, 3D-utskrivna enheter är perfekta för hjälpmedel, som proteser eller "smarta" pillerflaskor som kan hjälpa patienter att komma ihåg att ta sina dagliga mediciner.

Men dessa plastdelar har inte elektronik, vilket innebär att de inte kan övervaka hur patienter använder dem.

Nu har ingenjörer vid University of Washington utvecklat 3D-utskrivna enheter som kan spåra och lagra sin egen användning – utan att använda batterier eller elektronik. Istället, detta system använder en metod som kallas backscatter, genom vilken en enhet kan dela information genom att reflektera signaler som har sänts till den med en antenn.

"Vi är intresserade av att göra tillgänglig hjälpmedelsteknik med 3-D-utskrift, men vi har inget enkelt sätt att veta hur folk använder det, " sa medförfattaren Jennifer Mankoff, en professor vid UW:s Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering. "Kan vi komma på en kretslös lösning som kan skrivas ut på konsumentkvalitet, hyllan skrivare och låta enheten själv samla in information? Det är vad vi visade var möjligt i den här tidningen."

UW-teamet kommer att presentera sina resultat den 15 oktober vid ACM Symposium on User Interface Software and Technology i Berlin.

Tidigare har teamet utvecklat de första 3D-utskrivna objekten som ansluter till Wi-Fi utan elektronik. Dessa rent plastenheter kan mäta om en diskmedelsflaska börjar ta slut och sedan automatiskt beställa mer online.

"Att använda plast för dessa applikationer betyder att du inte behöver oroa dig för att batterierna tar slut eller att din enhet blir blöt. Det kan förändra vårt sätt att tänka på datoranvändning, " sa seniorförfattaren Shyam Gollakota, en docent i Allenskolan. "Men om vi verkligen vill förvandla 3D-utskrivna objekt till smarta objekt, vi behöver mekanismer för att övervaka och lagra data."

Forskarna tog sig an övervakningsproblemet först. I deras tidigare studie, deras system spårar rörelse i en riktning, som fungerar bra för att övervaka tvättmedelsnivåer eller mäta vind- eller vattenhastighet. Men nu behövde de göra föremål som kunde övervaka dubbelriktad rörelse som öppning och stängning av en tablettflaska.

"Sista gången, vi hade en växel som vände åt ett håll. När vätska strömmade genom kugghjulet, det skulle trycka ner en omkopplare för att kontakta antennen, " sa huvudförfattaren Vikram Iyer, en doktorand vid UW Department of Electrical &Computer Engineering. "Den här gången har vi två antenner, en på toppen och en på botten, som kan kontaktas av en omkopplare som är ansluten till en växel. Så att öppna en kapsyl på pillret flyttar växeln i en riktning, som trycker på omkopplaren för att komma i kontakt med en av de två antennerna. Och när du stänger locket på pillerflaskan vrids växeln i motsatt riktning, och omkopplaren träffar den andra antennen."

Båda antennerna är identiska, så teamet var tvungen att hitta ett sätt att avkoda vilken riktning kepsen rörde sig.

"Kugghjulets tänder har en specifik sekvens som kodar ett meddelande. Det är som morsekod, sa medförfattaren Justin Chan, en doktorand i Allen School. "Så när du vrider locket i en riktning, du ser meddelandet framåt. Men när du vrider locket åt andra hållet, du får ett omvänt meddelande."

Förutom spårning, till exempel, rörelse på kapsylen, samma metod kan användas för att övervaka hur människor använder proteser, såsom 3-D-tryckta e-NABLE-armar. Dessa mekaniska händer, som fäster vid handleden, är utformade för att hjälpa barn med handavvikelser att greppa föremål. När barn böjer sina handleder, kablarna på handen dras åt för att få fingrarna att stängas. Så teamet 3-D skrev ut en e-NABLE-arm med en prototyp av deras dubbelriktade sensor som övervakar handens öppning och stängning genom att bestämma handledens vinkel.

Forskarna ville också skapa ett 3D-utskrivet objekt som kunde lagra dess användningsinformation utanför Wi-Fi-räckvidden. För denna applikation, de valde en insulinpenna som kunde övervaka användningen och sedan signalera när den började bli låg.

"Du kan fortfarande ta insulin även om du inte har en Wi-Fi-anslutning, ", sa Gollakota. "Så vi behövde en mekanism som lagrar hur många gånger du använde den. När du väl är tillbaka i sortimentet, du kan ladda upp den lagrade informationen till molnet."

Denna metod kräver en mekanisk rörelse, som att trycka på en knapp, och lagrar den informationen genom att rulla upp en fjäder inuti en spärr som bara kan röra sig i en riktning. Varje gång någon trycker på knappen, fjädern blir stramare. Den kan inte varva ner förrän användaren släpper spärrhaken, förhoppningsvis när den är inom räckhåll för backscatter-sensorn. Sedan, när våren lossnar, den flyttar en växel som utlöser en omkopplare för att kontakta en antenn upprepade gånger när växeln vrids. Varje kontakt räknas för att avgöra hur många gånger användaren tryckte på knappen.

Dessa enheter är bara prototyper för att visa att det är möjligt för 3-D-tryckt material att känna av dubbelriktad rörelse och lagra data. Nästa utmaning blir att ta dessa koncept och krympa dem så att de kan bäddas in i riktiga pillerflaskor, proteser eller insulinpennor, sa Mankoff.

"Det här systemet kommer att ge oss en bättre bild av vad som pågår, " sa hon. "T.ex. just nu har vi inte ett sätt att spåra om och hur människor använder e-NABLE-händer. Vad jag i slutändan skulle vilja göra med dessa data är att förutsäga om folk kommer att överge en enhet eller inte baserat på hur de använder den."