Intégration de l’électronique dans les prototypes physiques
Les chercheurs du MIT ont inventé un moyen d’intégrer les « breadboards » – des plates-formes plates largement utilisées pour le prototypage électronique – directement sur les produits physiques. L’objectif est 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 planches à pain sont des planches rectangulaires avec des rangées de trous d’épingle percés à la surface. De nombreux trous ont des connexions métalliques et des points de contact entre eux. Les ingénieurs peuvent brancher les composants des systèmes électroniques – des circuits de base aux processeurs informatiques complets – dans les trous d’épingle où ils veulent qu’ils se connectent. Ensuite, ils peuvent rapidement tester, réarranger et retester les composants selon les besoins.
Mais les planches à pain ont gardé la même forme pendant des décennies. C’est pourquoi il est difficile de tester l’aspect et le toucher de l’électronique sur, par exemple, des vêtements et divers appareils intelligents. En général, les gens testent d’abord les circuits sur des tableaux d’affichage traditionnels, puis les placent sur un prototype de produit. Si le circuit doit être modifié, il est retourné à la planche à pain pour être testé, et ainsi de suite.
Dans une communication présentée 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’une planche à pain intégrée à leur surface. Un logiciel personnalisé conçoit automatiquement les objets, avec des trous d’épingles 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 planche à pain.
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 planches à pain, 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 au tout début du prototypage d’un objet. … Les CurveBoards ajoutent essentiellement un axe supplémentaire aux axes XYZ (tridimensionnels) existants de l’objet – l’axe « fonction » » ».
Les étudiants diplômés de CSAIL Lotta-Gili Blumberg, Martin Nisser et Ethan Levi Carlson, les étudiants de premier cycle du Département de génie électrique et d’informatique (EECS) Jessica Ayeley Quaye et Xin Wen, les anciens étudiants de premier cycle de l’EECS Yunyi Zhu et Kevin Shum, et Stefanie Mueller, professeur assistant de développement de carrière du Consortium X-Window dans l’EECS, se joignent à Zhu sur le papier.
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 cartographie 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 à travers 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 ensemble 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 leur travail, les chercheurs ont imprimé des objets en 3D en utilisant un silicone souple, durable et non conducteur. Pour fournir des canaux de connectivité, 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 impression. Le silicone est un mélange de matériaux en silicone conçu pour avoir une résistance électrique minimale, permettant à divers types d’électronique de fonctionner.
Pour valider les CurveBoards, les chercheurs ont imprimé une série 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 pour le comptage des pas. Une théière comprenait une petite caméra 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 prototypage meilleur et plus rapide
Dans une étude sur les utilisateurs, l’équipe a étudié les avantages du prototypage de CurveBoards. Ils ont divisé en deux sections six participants ayant une expérience différente en matière de prototypage : L’un utilisait des planches à pain traditionnelles et un objet imprimé en 3D, et l’autre utilisait uniquement une CurveBoard de l’objet. Les deux sections ont conçu le même prototype, mais ont fait des allers-retours entre les sections après avoir accompli les tâches prévues. Au final, cinq des six participants ont préféré le prototypage avec le CurveBoard. Les réactions ont indiqué que les CurveBoards étaient globalement plus rapides et plus faciles à utiliser.
Mais les CurveBoards ne sont pas conçus pour remplacer les planches à pain, affirment les chercheurs. Au lieu de cela, ils fonctionneraient particulièrement bien en tant qu’étape dite de « midfidélité » dans le calendrier de prototypage, c’est-à-dire entre les premiers tests de panification et le produit final. « Les gens aiment les planches à pain, et il y a des cas où elles sont très bien utilisées », dit Zhu. « C’est pour quand vous avez une idée de l’objet final et que vous voulez voir, par exemple, comment les gens interagissent avec le produit. Il est plus facile d’avoir un 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. Actuellement, une nouvelle CurveBoard doit être construite pour chaque nouvel objet. Les modèles prêts à l’emploi, cependant, permettraient aux concepteurs d’expérimenter rapidement les circuits de base et l’interaction avec l’utilisateur, avant de concevoir leur CurveBoard spécifique.
En outre, les chercheurs veulent faire passer certaines étapes de prototypage précoce entièrement du côté des logiciels. L’idée est que les gens puissent concevoir et tester des circuits – et éventuellement l’interaction avec l’utilisateur – entièrement sur le modèle 3D généré par le logiciel. Après de nombreuses itérations, ils peuvent imprimer en 3D une CurveBoard plus finalisée. « De cette façon, vous saurez exactement comment cela fonctionnera dans le monde réel, ce qui permettra un prototypage rapide », explique Zhu. Ce serait une étape plus « haute-fidélité » pour le prototypage.
