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Lentejuelas inteligentes



En el artículo hablaré sobre cómo desarrollamos un dispositivo de reproducción de color electromecánico en miniatura para ropa inteligente y sistemas de camuflaje adaptativos.

Prólogo

“Ella comenzó a trepar por el tronco del árbol. Los mecanismos del traje se pusieron inmediatamente en funcionamiento, pintados del color de la corteza de un árbol, salpicados de motas de luz de luna ".

Scott Westerfield Special

¡Después de leer estas líneas, mi imaginación fue capturada por esta idea! Un traje que puede adaptarse a las condiciones ambientales, cambiar su color, patrón, textura. Gran sistema de camuflaje óptico. Y además, ropa que puede cambiar la apariencia a pedido del propietario o en función de sus parámetros fisiológicos.
"Llevaba un traje de camaleón de policarbonato, capaz de reproducir cualquier gama de tonos por orden mental del propietario, expresando cambios en su estado de ánimo".

Ulyam Gibson "Neuromantic"

Los autores de obras de literatura y cine usan disfraces de camaleón como les gusta. ¿Pero hay desarrollos reales en esta área?
Una revisión de la literatura mostró que diferentes países están desarrollando sistemas de camuflaje adaptativos, y se utilizan una variedad de dispositivos de reproducción de color:

  • matriz LED de polímero (pantallas PLED), 2011, sistema CAMELEON;
  • polímeros sensibles al calor , en 2014, investigadores de la Universidad de Houston publicaron los resultados del trabajo sobre la creación de una matriz de elementos que pueden cambiar su transparencia cuando se calientan;
  • pantallas transflectivas , en 2015, Folium Optics presentó un prototipo funcional en la exposición internacional de tecnología militar DSEI.
  • polímeros electroactivos , en 2018, los desarrolladores rusos presentaron un prototipo funcional en el foro del Ejército.

Pero casi todos los desarrollos están en la etapa de pruebas de laboratorio y prototipos.

En el proceso de encontrar ideas para implementar algo similar, me encontré con algo nuevo.
Una vez me preguntaron: "¿Sabes qué son las lentejuelas?"

Aquí es donde comienza la historia del desarrollo ...

Lentejuela


Al principio, cuando les conté a mis amigos y colegas lo que estaba haciendo ahora, detuvieron mi historia al principio y me hicieron la misma pregunta: "¿Lentejuelas?"
Por lo tanto, explicaré de inmediato lo que está en juego.

La lentejuela ("grano de arena dorado" francés) es un elemento decorativo de la ropa, que es un pequeño círculo de plástico (escamas), que tiene un pequeño orificio, desplazado hacia el borde, que se usa para fijarlo (cosiendo) en una tela u otro material.



Además, estos círculos de plástico tienen un "chip", pueden rotar (desplazarse), mostrando al observador uno u otro lado, que se puede pintar en diferentes colores.

En general, me pareció interesante. Las telas de lentejuelas me recordaron a las pantallas LED, solo con baja resolución y mala reproducción del color. Pero, por otro lado, funcionan con luz reflejada y se colocan de forma flexible (vestimenta o sus elementos).

Sería genial crear una lentejuela que pueda "hojear" independientemente y cambiar el color que se muestra actualmente al observador. ¡Muchos de estos dispositivos se combinarán en una matriz capaz de reproducir varios patrones, mostrar texto, imágenes y todo esto en dinámica!

Lentejuelas electrónicas


Para empezar, se realizaron varios bocetos y se formularon los requisitos técnicos para el producto futuro:

  • use al menos 2 colores;
  • los tamaños son comparables a las lentejuelas reales;
  • peso ligero y consumo de energía;
  • .

1


Cada lentejuela electrónica consta de una base con la que está unida a una base futura (tela). En la base se encuentra la electrónica, para el control, y las unidades de pétalo.

Los pétalos están ubicados en el mismo eje.

Se decidió que la primera versión tendrá 3 colores:



para el primer prototipo, el tamaño no es lo más importante, así que deje que la lentejuela sea un poco más grande de lo especificado en la declaración de trabajo.

La estructura de la unidad de control electrónico: la



plataforma ArduinoNANO se selecciona como controlador. El par de torsión de los motores (motores colectores) a las lentejuelas se transmitirá a través del engranaje helicoidal. Como sensores para la posición de los pétalos, se utilizan resistencias variables, extraídas de pequeños servos SG90.

Funciona así:


¡Todo está como debería! Lo único que no agradó fue la baja velocidad de los pétalos, pero sí lo fue para el proceso de depuración. Además, corregimos esta bagatela en el próximo prototipo.

Versión 2


En el nuevo modelo, solo cambiamos la composición de la unidad de control electrónico y agregamos una placa de circuito impreso para que la lentejuela se convirtiera en un módulo completo. Ahora todo estaba controlado por un microcontrolador ATtiny44 de 8 bits a través del controlador del motor L293DD.

Así es como se ve:



Y así es como funciona:


Como puede ver, hasta el momento no se habla de ningún protocolo de intercambio de datos digitales. Primero tenías que lidiar con la mecánica.

Versión 3


En la próxima versión, nos propusimos aumentar la cantidad de colores reproducibles a 5. Para hacer esto, necesitamos aumentar la cantidad de pétalos a 4, y hacerlos alternar alternativamente entre uno y otro. La forma más fácil, obviamente, es aumentar el número de unidades, pero en este caso es necesario colocar hasta 5 motores en la lentejuela. Este es un aumento de peso, dimensiones, complicación de la unidad de control electrónico. Decidimos que este es el camino equivocado.

Para lograr el resultado, probamos de varias maneras. Uno de los primeros y más interesantes, según me parece, es utilizar el par de un solo motor para conducir los pétalos a través de engranajes mecánicos.

Así es como se veía el primer prototipo que ensamblamos:



Y funcionó:


Por supuesto, ni la velocidad ni los ángulos de rotación se calculan en este modelo de demostración. Nos pareció demasiado complicado, sí, y sería difícil implementar una gran cantidad de componentes mecánicos para dimensiones más pequeñas. Sin embargo, esta opción se resolvió.

Finalmente, nos decidimos por este esquema: de



hecho, salvamos la unidad de control electrónico del primer prototipo, pero cambiamos las funciones de los motores, agregamos componentes mecánicos y reemplazamos los sensores de posición de los lóbulos con interruptores de límite ópticos. Se decidió utilizar el par de un motor y con la ayuda de una caja de cambios (caja de transferencia) para entregarlo a cada lóbulo secuencialmente. La "transmisión" actual se monitorizó utilizando una resistencia variable de deslizamiento.

Así es como se veía el nuevo mecanismo:



Por extraño que parezca, no funcionó mal:


Pero aún tiene más desventajas que ventajas:

  • una gran cantidad de engranajes mecánicos (baja confiabilidad);
  • muchos sensores necesitan ser calibrados;
  • grandes dimensiones;
  • baja velocidad de movimiento de los pétalos.

Al darnos cuenta de que en esta etapa no podemos ofrecer ninguna alternativa, comenzamos a trabajar en una dirección diferente.

Lentejuelas inteligentes


Finalmente, decidimos cuidar seriamente el tamaño de nuestras lentejuelas. Es necesario al menos acercarse a las dimensiones de estos elementos decorativos de la ropa. Y lo hicimos mucho más pequeño: la



cantidad de colores reproducidos se redujo a 2, como una lentejuela real. Se tomó un motor paso a paso en miniatura como el impulsor de su único lóbulo ( escribí sobre ello en detalle aquí ).

El valor del tiempo de cambio entre colores se obtiene mediante cálculos simples. El motor realiza 8 pasos con una pausa entre pasos de 10 ms. El cálculo solo permite una estimación aproximada del tiempo de conmutación.

La corriente de reposo sigue siendo una cantidad significativa, pero si utiliza los modos de baja potencia del controlador y el controlador, puede reducir este valor.

La nueva estructura de la unidad electrónica de control de lentejuelas:



decidimos mantener la base del elemento con el controlador ATtiny44 y el controlador L293DD.

Diagrama esquemático del dispositivo:



se colocó una pequeña placa de circuito impreso para las lentejuelas:



debido al pequeño tamaño del dispositivo, tuvimos que colocar microcircuitos en ambos lados de la placa, de hecho, ocupan casi todo el espacio en ella. Es necesario cambiar la base del elemento ...

Apariencia del conjunto de tablero y lentejuelas:



Suave


Nos pareció que sería muy conveniente que las lentejuelas se comporten de manera similar a los LED en la tira de LED de dirección. Por lo tanto, el protocolo de intercambio de datos se implementó en consecuencia. El controlador de control de matriz impulsa el flujo de bits para todos los elementos de matriz en el bus, enmarcando el paquete con divisores de inicio y parada. En el estado inactivo, la línea se eleva a Vcc.



Dado que estas lentejuelas reproducen solo dos colores, solo se asigna un bit para cada uno en el paquete.



La primera lentejuela de la fila nota el separador de inicio, lee el primer bit destinado a él y transfiere el resto al segundo sin cambios. La segunda lentejuela de la fila vuelve a leer solo el primer bit y transfiere el resto más abajo en la cadena. Por lo tanto, es posible conectar una gran cantidad de módulos con la capacidad de controlar cada uno por separado, sin recurrir al direccionamiento.

Los bits siguen uno tras otro a intervalos regulares. La duración del nivel lógico alto determina que "0" o "1" está codificado por este pulso. Todos los procedimientos relacionados con el intercambio de datos en lentejuelas se implementan mediante interrupciones. El separador de inicio se fija en un borde descendente en la línea PA3 (interrupción externa), luego se inicia un temporizador que genera interrupciones a intervalos regulares. En el controlador de interrupción del temporizador, se cuentan los intervalos de tiempo y las duraciones de pulso.

No abrieron nada nuevo, y es poco probable que se pueda inventar algo más para una interfaz de un solo cable.

La plataforma Arduino, que se comunica con la computadora, actúa como el controlador de matriz (o mejor dicho, la cinta) de las lentejuelas. Escribimos una pequeña aplicación en el entorno de procesamiento, que permite usar una matriz de 4 lentejuelas usando una interfaz gráfica:


Sobre funcionalidad


Pensemos en las ventajas que puede brindar la ropa que puede cambiar su color mediante el uso de lentejuelas electromecánicas.

Lo primero que viene a la mente es el uso de lentejuelas en el diseño de ropa moderna. Si busca un poco de información sobre las tendencias en el diseño de ropa moderna, a menudo puede encontrar la frase "textiles inteligentes", "telas inteligentes", muchas referencias a diseñadores de moda que imprimen sus atuendos en una impresora 3D y otras maravillas tecnológicas de la industria de la moda. Creo que las lentejuelas electromecánicas encajan muy orgánicamente en este concepto.

Otra aplicación son los sistemas de camuflaje adaptativo (activo), como se señaló anteriormente.

Además, cada pétalo de lentejuela puede tener una textura brillante o mate, y está pintado en diferentes colores, lo que significa que la lentejuela absorberá la radiación solar de diferentes maneras. Por lo tanto, el propietario de la ropa cubierta con tales lentejuelas, hace posible controlar su microclima.



Además, los pétalos inferiores pueden tener "poros" especiales que los pétalos superiores pueden abrir y cerrar; el exceso de humedad puede evaporarse a través de estos "poros".



Al mismo tiempo, si llueve afuera, la lentejuela puede cerrar de manera confiable los "poros", evitando que la humedad penetre debajo de la ropa.

Pocos números


Supongamos que ya hemos logrado resolver el problema de colocar lentejuelas electrónicas en un material elástico, o creamos algún tipo de "lienzo mecánico" a partir de estos pequeños dispositivos. ¿Qué características tendrá el lienzo (en esta etapa)?

Estime el costo de fabricar una lentejuela.

Notas:

1. Precio minorista: el precio minorista promedio de los componentes electrónicos en mi ciudad.

2. Venta al por mayor: pedido de componentes electrónicos en lotes desde China.


* hoja 208x248mm - 216 rublos. (Lista = 51584 mm ^ 2), tablas en S = 391 mm ^ 2, placas N en la hoja = 51584/391 = 131 piezas, el costo de 1 tabla = 1,64 rublos.
** bobina 1 kg -1000 rub., costo de 1 juego de piezas = 1 rub.

Resulta que en la producción en masa, el costo de un elemento es ligeramente inferior a 100 rublos.

Calcularemos el número requerido de lentejuelas para crear un lienzo con un área de 1 m2:

  • El área de una lentejuela S1 = 391 mm2
  • El área del lienzo Sp = 1000000mm2
  • El número de lentejuelas en el lienzo N = 2558 piezas
  • Peso de lentejuelas m1 = 3.5g
  • La masa del lienzo con un área de 1m2 Mp = 8951g
  • El costo principal de una tela con un área de 1 m2: 240306 frotar
  • Consumo de energía en reposo: Imin = 76A
  • Consumo de energía al cambiar todos los elementos web: Imax = 306A

Eh ... no nos coses vestidos de lentejuelas electrónicas ...

recomendaciones


Aquí puede proceder sin problemas a las conclusiones y hablar sobre las desventajas de usar dispositivos electromecánicos de reproducción de color en general, y en particular nuestras lentejuelas.

Son comunes


  1. La presencia de partes móviles, vulnerabilidad a daños mecánicos, baja confiabilidad de elementos de matriz individuales, vulnerabilidad a la contaminación.
  2. Una pequeña paleta de colores reproducibles.
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En general, la idea era buena, la implementación resultó ser menos buena ... Sin embargo, el trabajo sobre "lentejuelas inteligentes" continúa. Pronto intentaremos colocarlos en la ropa, y definitivamente compartiremos los resultados.

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