Intelligente 3D-gedruckte Gegenstände ohne Elektronik

Forscher haben Geräte aus Kunststoff entwickelt, die den eigenen Gebrauch verfolgen und speichern können – ohne Batterien oder Elektronik. Durch „Rückstreuung“ können sie Informationen austauschen, indem sie Signale reflektieren und an Antennen übertragen.

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Günstige und leicht anpassbare Gegenstände aus dem 3D-Drucker sind perfekt für Unterstützungstechnologien insbesondere im medizinischen Bereich, wie etwa für Prothesen oder „intelligente“ Pillendöschen, die den Patienten helfen, sich daran zu erinnern, ihre Medikamente einzunehmen. Solche einfachen Kunststoffteile besitzen aber keine Elektronik. Wie können sie also überwachen, dass der Patienten sie auch korrekt verwendet.

Daten sammeln und auswerten durch Rückstreuung

Ingenieure der University of Washington (UW) haben eine Technik entwickelt mit der 3D-gedruckte Gegenstände ihren eigenen Gebrauch verfolgen und speichern können – ohne Batterien oder Elektronik. Stattdessen verwendet dieses System ein Verfahren namens „Backscatter“ zu Deutsch Rückstreuung. Damit kann der Gegenstand Informationen teilen, indem er Signale reflektiert, die zuvor mit einer Antenne auf ihn abgestrahlt wurden.

„Wir wollen solche unterstützende Technologien mit 3D-Druck einer breiteren Masse zugänglich machen, aber wir hatten bisher keine einfache Möglichkeit in Erfahrung zu bringen, wie Menschen diese Technologien anwenden“, erklärt die Co-Autorin des Projekts Jennifer Mankoff, Professorin an der Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering der UW. Das Team suchte deshalb nach einer einfachen Lösung, mit der die Gegenstände selbst Daten sammeln können, obwohl sie keine elektronischen Bauteile enthalten, und dabei sollten die Dinge mit herkömmlichen 3D-Druckern von der Stange gedruckt werden können.

In einem Vorprojekt entwickelte das Team bereits 3D-gedruckte Gegenstände, die – ohne Elektronik – mit Wi-Fi verbunden sind. Obwohl die Gegenstände komplett aus Kunststoff bestehen, können die messen, ob eine Waschmittelflasche leer ist und dann automatisch online nachbestellen.

Neue Computerkonzepte ohne Elektronik

„Kunststoff hat den Vorteil, dass Sie sich keine Sorgen machen müssen, dass die Batterien leer sind oder Ihr Gerät nass wird. Solche Konzepte können die Art und Weise, wie wir Computer konstruieren, verändern", sagt Senior-Autor Shyam Gollakota, außerordentlicher Professor an der Allen School. „Aber wenn wir solche gedruckten Gegenstände in intelligente Objekte verwandeln wollen, brauchen wir Mechanismen zur Überwachung und Speicherung von Daten.“

Die Forscher haben sich zunächst mit dem Monitoring-Problem beschäftigt. In ihrer vorherigen Studie überwacht das System die Bewegung in eine Richtung, was sich gut zur Überwachung des Füllstands von Flaschen eignet oder zur Messung der Wind- oder Wassergeschwindigkeit. Im Folgeprojekt mussten sie Objekte herstellen, die bidirektionale Bewegungen überwachen konnten, wie das Öffnen und Schließen einer Pillenflasche.

„Letztes Mal hatten wir einen Zahnrad, das in eine Richtung drehte. Wenn Flüssigkeit durch das Getriebe floss, wurde ein Schalter nach unten gedrückt, um die Antenne zu kontaktieren“, erklärt Hauptautor Vikram Iyer, Doktorand am UW Department of Electrical & Computer Engineering. „Diesmal haben wir zwei Antennen, eine oben und eine unten. Sie können über einen Schalter an einem Getriebe kontaktiert werden. Das Öffnen eines Pillenflaschenverschlusses bewegt das Getriebe in eine Richtung, wodurch der Schalter gedrückt wird, um eine der beiden Antennen zu kontaktieren. Und dann schließt man den Pillenflaschenverschluss und dreht das Getriebe in die entgegengesetzte Richtung, und der Schalter trifft auf die andere Antenne.“

Beide Antennen sind identisch, so dass das Team auch einen Weg finden musste, um zu klären, in welche Richtung sich die Kappe bewegt. „Die Zähne des Getriebes haben eine bestimmte Reihenfolge, die eine Nachricht kodiert. Es ist wie Morsealphabet“, erklärt Co-Autor Justin Chan, Doktorand an der Allen School. „Wenn man also den Deckel in eine Richtung dreht, liest man die Botschaft vorwärts. Aber wenn man den Deckel in die andere Richtung dreht, bekommt man die Nachricht rückwärts.“

Dieser Methode eignet sich aber nicht nur für einfache Mechanismen, wie Schraubverschlüsse, auch die Verwendung von Prothesen kann damit überwacht werden, wie z.B. 3D-gedruckte e-NABLE-Arme. Diese mechanischen Hände, die am Handgelenk befestigt werden, sollen Kindern mit Behinderungen helfen, Gegenstände zu greifen. Wenn das Kind sein Handgelenk beugt, ziehen sich die Kabel an der Hand fest und die künstliche Hand schließt sich. Die Forscher druckten einen e-NABLE-Arm mit einem Prototyp ihres bidirektionalen Sensors, der das Öffnen und Schließen der Hand durch Bestimmen des Handgelenkwinkels überwacht.

Offline speichern und später in die Cloud übertragen

In einem weiteren Schritt wollten die Forscher ein Gegenstand drucken, der diese Informationen auch offline speichern kann. Als Versuchsobjekt wählten sie einen Insulin-Pen. Der Stick sollte, den Gebrauch überwachen können und rechtzeitig signalisieren, wenn er leer wird.

Medikamente wie Insulin müssen eingenommen werden, unabhängig davon, ob man gerade mit dem Internet verbunden ist oder nicht. Deshalb wollten die Forscher ein Mechanismus entwickeln, der speichert, wie oft der Stift bereits verwendet wurde. Sobald man sich wieder in Reichweite eines Netzes befindet, können die gespeicherten Daten in die Cloud hochgeladen werden.

Dieses Verfahren erfordert eine mechanische Bewegung, wie den Druck eines Knopfes. Die Informationen wird gespeichert, indem eine Feder in einer Ratsche aufgezogen wird, die sich nur in eine Richtung bewegen kann. Jedes Mal, wenn jemand den Knopf drückt, wird die Feder enger gezogen. Sie kann sich nicht entspannen, bis der Benutzer die Ratsche loslässt, hoffentlich in Reichweite des Rückstreusensors. Wenn die Feder dann aufspringt, bewegt sie einen Zahnrad, das einen Schalter auslöst, um eine Antenne wiederholt zu kontaktieren, während sich das Getriebe dreht. Jeder dieser Kontakt wird gezählt, um festzustellen, wie oft der Benutzer die Taste gedrückt hat.

Die bisherigen Geräte sind alle nur Prototypen. Sie sollen zeigen, dass es so möglich ist, mit gedruckten Gegenständen aus Kunststoff bidirektionale Bewegungen zu erfassen, die Daten speichern und sogar zu übertragen. Die nächste Herausforderung für die Forscher besteht daran, die Konzepte so sehr zu schrumpfen, dass sie auch in gebräuchlichen Pillenflaschen, Prothesen oder Insulin-Pens eingebettet werden können, so Mankoff.

Die Forscher wollen ihre Ergebnisse am 15. Oktober auf dem ACM-Symposium zu „User Interface Software and Technology“ in Berlin vorstellen.

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