MIT-forskare har uppfunnit ett sätt att integrera "breadboards" - platta plattformar som ofta används för elektronikprototyper - direkt på fysiska produkter. Syftet är att ge en snabbare, enklare sätt att testa kretsfunktioner och användarinteraktioner med produkter som smarta enheter och flexibel elektronik.

Breadboards är rektangulära brädor med uppsättningar av pinholes borrade i ytan. Många av hålen har metallanslutningar och kontaktpunkter mellan sig. Ingenjörer kan koppla in komponenter i elektroniska system – från grundläggande kretsar till kompletta datorprocessorer – i hålen där de vill att de ska anslutas. Sedan, de kan snabbt testa, ordna om, och testa om komponenterna vid behov.

Men brödbrädor har förblivit samma form i årtionden. Av den anledningen, det är svårt att testa hur elektroniken kommer att se ut och kännas på, säga, wearables och olika smarta enheter. Rent generellt, folk kommer först att testa kretsar på traditionella breadboards, sedan slå dem på en produktprototyp. Om kretsen behöver modifieras, det är tillbaka till brödbrädan för testning, och så vidare.

I en artikel som presenteras på CHI (Conference on Human Factors in Computing Systems), forskarna beskriver "CurveBoards, " 3-D-tryckta objekt med strukturen och funktionen av en brödbräda integrerad på deras ytor. Anpassad programvara designar automatiskt objekten, komplett med fördelade nålhål som kan fyllas med ledande silikon för att testa elektronik. Slutprodukterna är korrekta representationer av den verkliga varan, men med brödskiva.

CurveBoards "bevarar ett objekts utseende och känsla, " skriver forskarna i sin uppsats, samtidigt som det gör det möjligt för designers att prova komponentkonfigurationer och testa interaktiva scenarier under prototypupprepningar. I sitt arbete, forskarna tryckte CurveBoards för smarta armband och klockor, Frisbees, hjälmar, hörlurar, en tekanna, och en flexibel, bärbar e-läsare.

"På brödbrädor, du prototyper funktionen hos en krets. Men du har inget sammanhang för dess form – hur elektroniken kommer att användas i en verklig prototypmiljö, " säger första författare Junyi Zhu, en doktorand i datavetenskap och artificiell intelligens Laboratory (CSAIL). "Vår idé är att fylla denna lucka, och slå samman form- och funktionstestning i ett mycket tidigt skede av prototypframställning av ett objekt. … CurveBoards lägger i huvudsak till en extra axel till de befintliga [tredimensionella] XYZ-axlarna för objektet – "funktionsaxeln."

Anpassad mjukvara och hårdvara

En kärnkomponent i CurveBoard är anpassad designredigeringsprogramvara. Användare importerar en 3D-modell av ett objekt. Sedan, de väljer kommandot "generera pinholes, " och programvaran mappar automatiskt alla pinholes enhetligt över objektet. Användare väljer sedan automatiska eller manuella layouter för anslutningskanaler. Det automatiska alternativet låter användare utforska en annan layout av anslutningar över alla pinholes med en knapptryckning. För manuella layouter, interaktiva verktyg kan användas för att välja grupper av pinholes och indikera typen av anslutning mellan dem. Den slutliga designen exporteras till en fil för 3D-utskrift.

När ett 3D-objekt laddas upp, programvaran tvingar i huvudsak sin form till en "quadmesh" - där objektet representeras som ett gäng små fyrkanter, var och en med individuella parametrar. Genom att göra så, det skapar ett fast avstånd mellan rutorna. Pinholes - som är kottar, med den breda änden på ytan och avsmalnande nedåt – kommer att placeras vid varje punkt där rutornas hörn berörs. För kanallayouter, vissa geometriska tekniker säkerställer att de valda kanalerna kommer att ansluta de önskade elektriska komponenterna utan att korsa varandra.

I sitt arbete, forskarna 3-D-utskrivna objekt med hjälp av en flexibel, hållbar, icke-ledande silikon. För att tillhandahålla anslutningskanaler, de skapade en anpassad ledande silikon som kan sprutas in i hålen och sedan rinner genom kanalerna efter utskrift. Silikonet är en blandning av ett silikonmaterial utformat för att ha minimalt elmotstånd, gör det möjligt för olika typer av elektronik att fungera.

För att validera CurveBoards, forskarna tryckte en mängd smarta produkter. Hörlurar, till exempel, kom utrustad med menykontroller för högtalare och musikströmningsmöjligheter. Ett interaktivt armband inkluderade en digital display, LED, och fotoresistor för hjärtfrekvensövervakning, och en stegräkningssensor. En tekanna inkluderade en liten kamera för att spåra teets färg, samt färgade lampor på handtaget för att indikera varma och kalla områden. De skrev också ut en bärbar e-boksläsare med en flexibel display.

Bättre, snabbare prototyper

I en användarstudie, teamet undersökte fördelarna med CurveBoards prototyper. De delade upp sex deltagare med varierande prototyperfarenhet i två sektioner:En använde traditionella breadboards och ett 3-D-tryckt objekt, och den andra använde bara en CurveBoard av objektet. Båda sektionerna designade samma prototyp men växlade fram och tillbaka mellan sektionerna efter att ha slutfört utsedda uppgifter. I slutet, fem av sex av deltagarna föredrog prototyper med CurveBoard. Feedback visade att CurveBoards överlag var snabbare och lättare att arbeta med.

Men CurveBoards är inte designade för att ersätta breadboards, säger forskarna. Istället, de skulle fungera särskilt bra som ett så kallat "midfidelity"-steg i prototyptidslinjen, betydelse mellan inledande testning av brödbrädet och slutprodukten. "Folk älskar brödbrädor, och det finns fall där de är bra att använda, " säger Zhu. "Detta är för när du har en idé om det slutliga föremålet och vill se, säga, hur människor interagerar med produkten. Det är lättare att ha ett CurveBoard istället för kretsar staplade ovanpå ett fysiskt objekt."

Nästa, forskarna hoppas kunna designa allmänna mallar för vanliga föremål, som hattar och armband. Just nu, ett nytt CurveBoard måste byggas för varje nytt objekt. Färdiga mallar, dock, skulle låta designers snabbt experimentera med grundläggande kretsar och användarinteraktion, innan de designar deras specifika CurveBoard.

Dessutom, forskarna vill flytta några prototypsteg i ett tidigt skede helt till mjukvarusidan. Tanken är att människor kan designa och testa kretsar – och eventuellt användarinteraktion – helt på den 3D-modell som genereras av programvaran. Efter många upprepningar, de kan 3-D skriva ut ett mer färdigställt CurveBoard. "På så sätt vet du exakt hur det kommer att fungera i den verkliga världen, möjliggör snabb prototypframställning, " säger Zhu. "Det skulle vara ett mer "high-fidelity"-steg för prototypframställning."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.