👩🏽‍✈️ 🙆🏿 🏴 Paillettes intelligentes 👃🏿 ♌️ 🤤

Dans l'article, je parlerai de la façon dont nous avons développé un appareil électromécanique miniature de reproduction des couleurs pour les vêtements intelligents et les systèmes de camouflage adaptatifs.

Prologue

«Elle a commencé à grimper sur le tronc d'arbre. Les mécanismes du costume se mettent immédiatement au travail, peints dans la couleur d'une écorce d'arbre, mouchetés de taches de clair de lune. "

Spécial Scott Westerfield

Après avoir lu ces lignes, mon imagination a été capturée par cette idée! Un costume capable de s'adapter aux conditions environnementales, de changer de couleur, de motif, de texture. Excellent système de camouflage optique. Et en plus, des vêtements qui peuvent changer d'aspect à la demande du propriétaire ou en fonction de ses paramètres physiologiques.

"Il portait un costume caméléon en polycarbonate, capable de reproduire n'importe quelle gamme de nuances par l'ordre mental du propriétaire, exprimant des changements d'humeur."

Ulyam Gibson "Neuromantic"

Les auteurs d'œuvres littéraires et cinématographiques utilisent à leur guise les costumes de caméléon. Mais y a-t-il de réels développements dans ce domaine?
Une revue de la littérature a montré que différents pays développent des systèmes de camouflage adaptatifs, et une variété de dispositifs de reproduction des couleurs sont utilisés:

matrice LED polymère (écrans PLED), 2011, système CAMELEON;
polymères sensibles à la chaleur , en 2014, des chercheurs de l'Université de Houston ont publié les résultats de travaux sur la création d'une matrice d'éléments qui peuvent changer leur transparence lorsqu'ils sont chauffés;
écrans transflectifs , en 2015, Folium Optics a présenté un prototype fonctionnel au salon international de la technologie militaire DSEI.
polymères électroactifs , en 2018, des développeurs russes ont présenté un prototype fonctionnel au forum de l'armée.

Mais presque tous les développements sont au stade des tests de laboratoire et des prototypes.

En train de trouver des idées pour mettre en œuvre quelque chose de similaire, je suis tombé sur quelque chose de nouveau.
Une fois, ils m'ont demandé: "Savez-vous ce que sont les paillettes?"

C'est là que commence l'histoire du développement ...

Paillette

Au début, quand j'ai dit à mes amis et collègues ce que je faisais maintenant, ils ont arrêté mon histoire au tout début et posé la même question: "Sequins?"
Par conséquent, je vais immédiatement expliquer ce qui est en jeu.

Le paillette (français "grain de sable doré") est un élément décoratif des vêtements, qui est un petit cercle de plastique (flocon), ayant un petit trou, décalé par rapport au bord, utilisé pour le fixer (par couture) sur un tissu ou autre matériau.

De plus, ces cercles en plastique ont un "truc", ils peuvent tourner (faire défiler), montrant à l'observateur l'un ou l'autre côté, qui peut être peint de différentes couleurs.

En général, cela m'a semblé intéressant. Les tissus de paillettes me rappelaient les écrans LED, uniquement avec une faible résolution et une mauvaise reproduction des couleurs. Mais d'un autre côté, ils travaillent sur la lumière réfléchie et sont placés sur une base flexible (vêtements ou ses éléments).

Ce serait cool de créer une paillette qui peut "feuilleter" indépendamment et changer la couleur qui est actuellement montrée à l'observateur. Beaucoup de ces appareils seront combinés en une matrice capable de reproduire divers motifs, d'afficher du texte, des images, et tout cela en dynamique!

Paillette électronique

Pour commencer, plusieurs croquis ont été réalisés et les exigences techniques pour le futur produit ont été formulées:

utilisez au moins 2 couleurs;
les tailles sont comparables à de vraies paillettes;
poids léger et consommation d'énergie;
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Chaque paillette électronique est constituée d'une base avec laquelle elle est attachée à une future base (tissu). Sur la base se trouve l'électronique, pour le contrôle et les entraînements de pétales.

Les pétales sont situés sur le même axe.

Il a été décidé que la première version aura 3 couleurs:

Pour le premier prototype, la taille n'est pas la chose la plus importante, alors laissez le sequin être un peu plus grand que ce qui était spécifié dans l'énoncé des travaux.

La structure de l'unité de contrôle électronique: la

plate-forme ArduinoNANO est sélectionnée comme contrôleur. Le couple entre les moteurs (moteurs collecteurs) et les paillettes sera transmis via l'engrenage à vis sans fin. En tant que capteurs pour la position des pétales, des résistances variables sont utilisées, extraites de petits servos SG90.

Cela fonctionne comme ceci:

Tout est comme il se doit! La seule chose qui ne plaisait pas était la faible vitesse des pétales, mais pour le processus de débogage, elle l'est. De plus, nous avons corrigé cette bagatelle dans le prochain prototype.

Version 2

Dans le nouveau modèle, nous avons seulement changé la composition de l'unité de contrôle électronique et ajouté une carte de circuit imprimé afin que la paillette se transforme en un module à part entière. Maintenant, tout était contrôlé par un microcontrôleur ATtiny44 8 bits via le pilote du moteur L293DD.

Voici à quoi cela ressemble:

Et voici comment cela fonctionne:

Comme vous pouvez le voir, on ne parle pour l'instant d'aucun protocole d'échange de données numériques. Vous deviez d'abord vous occuper de la mécanique.

Version 3

Dans la prochaine version, nous nous sommes fixé pour tâche d'augmenter le nombre de couleurs reproductibles à 5. Pour ce faire, nous devons augmenter le nombre de pétales à 4, et les faire alternativement basculer entre l'un et l'autre. Le moyen le plus simple, évidemment, est d'augmenter le nombre de disques, mais dans ce cas il faut placer jusqu'à 5 moteurs sur le sequin! Il s'agit d'une augmentation de poids, de dimensions, de complication de l'unité de commande électronique. Nous avons décidé que c'était la mauvaise façon.

Pour arriver au résultat, nous avons essayé différentes manières. L'un des premiers et des plus intéressants, comme il me semble, est d'utiliser le couple d'un seul moteur pour entraîner les pétales par des engrenages mécaniques.

Voici à quoi ressemblait le premier prototype que nous avons assemblé:

Et cela a fonctionné:

Bien sûr, ni la vitesse ni les angles de rotation ne sont calculés dans ce modèle de démonstration. Cela nous semblait trop compliqué, oui, et un grand nombre de composants mécaniques seraient difficiles à mettre en œuvre pour des dimensions plus réduites. Néanmoins, cette option a été élaborée.

En fin de compte, nous nous sommes installés sur ce schéma:

en fait, nous avons sauvé l'unité de commande électronique du premier prototype, mais changé les rôles des moteurs, ajouté des composants mécaniques et remplacé les capteurs de position des lobes par des fins de course optiques. Il a été décidé d'utiliser le couple d'un moteur et, à l'aide d'une boîte de vitesses (boîte de transfert), de le délivrer séquentiellement à chaque lobe. La «transmission» actuelle a été contrôlée à l'aide d'une résistance variable à glissière.

Voici à quoi ressemblait le nouveau mécanisme:

Curieusement, cela a fonctionné pas mal:

Mais il a toujours plus d'inconvénients que d'avantages:

un grand nombre d'engrenages mécaniques (faible fiabilité);
de nombreux capteurs doivent être étalonnés;
grandes dimensions;
faible vitesse de déplacement des pétales.

Réalisant qu'à ce stade, nous ne pouvons offrir aucune alternative, nous avons commencé à travailler dans une direction différente.

Paillette intelligente

Enfin, nous avons décidé de prendre au sérieux la taille de nos paillettes. Il faut au moins se rapprocher des dimensions de ces éléments décoratifs du vêtement. Et nous l'avons rendu beaucoup plus petit: le

nombre de couleurs reproduites a été réduit à 2, comme un vrai sequin. Un moteur pas à pas miniature a été pris comme entraînement pour son seul lobe ( j'ai écrit à ce sujet en détail ici ).

La valeur du temps de commutation entre les couleurs est obtenue par des calculs simples. Le moteur prend 8 étapes avec une pause entre les étapes de 10 ms. Le calcul ne permet qu'une estimation approximative du temps de commutation.

Le courant de repos est toujours important, mais si vous utilisez les modes de faible puissance du contrôleur et du pilote, vous pouvez réduire cette valeur.

La nouvelle structure de l'unité de contrôle électronique des paillettes:

Nous avons décidé de conserver la base de l'élément avec le contrôleur ATtiny44 et le pilote L293DD.

Schéma de principe de l'appareil:

Une petite carte de circuit imprimé a été conçue pour les paillettes:

En raison de la petite taille de l'appareil, nous avons dû placer des microcircuits des deux côtés de la carte, en fait, ils occupent presque tout l'espace sur elle. Il est nécessaire de changer la base de l'élément ...

Aspect de l'ensemble carte et sequin:

Doux

Il nous a semblé qu'il serait très pratique que les paillettes se comportent de la même manière que les LED de la bande de LED d'adresse. Par conséquent, le protocole d'échange de données a été mis en œuvre en conséquence. Le contrôleur de contrôle de matrice pilote le flux binaire pour tous les éléments de matrice sur le bus, encadrant le package avec des diviseurs de démarrage et d'arrêt. À l'état inactif, la ligne est tirée jusqu'à Vcc.

Étant donné que ces paillettes ne reproduisent que deux couleurs, un seul bit est alloué pour chacune dans le package.

Le premier sequin de la rangée remarque le séparateur de début, lit le premier bit qui lui est destiné et transfère le reste au second sans modifications. Le deuxième sequin de la ligne ne lit à nouveau que le premier bit et transfère le reste plus bas dans la chaîne. Ainsi, il est possible de connecter un grand nombre de modules avec la possibilité de contrôler chacun séparément, sans recourir à l'adressage.

Les bits se succèdent à intervalles réguliers. La durée du niveau logique haut détermine que "0" ou "1" est codé par cette impulsion. Toutes les procédures liées à l'échange de données en séquences sont mises en œuvre par le biais d'interruptions. Le séparateur de démarrage est fixé sur un front descendant sur la ligne PA3 (interruption externe), puis un temporisateur démarre, ce qui génère des interruptions à intervalles réguliers. Dans le gestionnaire d'interruption de minuterie, les intervalles de temps et les durées d'impulsion sont comptés.

Ils n’ont rien ouvert de nouveau, et il est peu probable qu’on puisse inventer autre chose pour une interface monofil.

La plate-forme Arduino, qui communique avec l'ordinateur, agit comme le contrôleur matriciel (ou mieux pour dire la bande) des paillettes. Nous avons écrit une petite application dans l'environnement Processing, qui permet d'utiliser une matrice de 4 sequins en utilisant une interface graphique:

À propos de la fonctionnalité

Réfléchissons aux avantages que peuvent apporter les vêtements qui peuvent changer de couleur grâce à l'utilisation de paillettes électromécaniques.

La première chose qui me vient à l'esprit est l'utilisation de paillettes dans la conception de vêtements modernes. Si vous recherchez un peu d'informations sur les tendances de la conception de vêtements modernes, vous pouvez souvent rencontrer l'expression «textile intelligent», «tissus intelligents», de nombreuses références à des créateurs de mode qui impriment leurs tenues sur une imprimante 3D et d'autres merveilles technologiques de l'industrie de la mode. Je crois que les paillettes électromécaniques s'intègrent très organiquement dans ce concept.

Une autre application est les systèmes de camouflage adaptatifs (actifs), comme indiqué ci-dessus.

De plus, chaque pétale de sequin peut avoir une texture brillante ou mate et est peint de différentes couleurs, ce qui signifie que le sequin absorbera le rayonnement solaire de différentes manières. Ainsi, propriétaire de vêtements recouverts de telles paillettes, il devient possible de contrôler leur microclimat.

De plus, les pétales inférieurs peuvent avoir des «pores» spéciaux qui peuvent s'ouvrir et se fermer avec les pétales supérieurs, à travers ces «pores», l'excès d'humidité peut s'évaporer.

En même temps, s'il pleut à l'extérieur, la paillette peut fermer de manière fiable les «pores», empêchant l'humidité de pénétrer sous les vêtements.

Quelques chiffres

Supposons que nous ayons déjà réussi à résoudre le problème de la pose de paillettes électroniques sur un matériau élastique, ou que nous ayons créé une sorte de «toile mécanique» à partir de ces petits appareils. Quelles caractéristiques aura la toile (à ce stade)?

Estimez le coût de fabrication d'un sequin.

Remarques:

1. Prix de détail - le prix de détail moyen des composants électroniques dans ma ville.

2. Vente en gros - commande de composants électroniques par lots en provenance de Chine.

* feuille 208x248mm - 216 roubles. (Slist = 51584mm ^ 2), S-boards = 391mm ^ 2, N planches sur la feuille = 51584/391 = 131pcs, le coût d'une planche = 1,64 roubles.
** bobine 1kg -1000 frotter., coût de 1 jeu de pièces = 1 frotter.

Il s'avère que dans la production de masse, le coût d'un élément est légèrement inférieur à 100 roubles.

Nous calculerons le nombre de sequins requis pour créer une toile d'une surface de 1 m2:

L'aire d'un sequin S1 = 391mm2
La zone de la toile Sp = 1000000mm2
Le nombre de paillettes sur la toile N = 2558pcs
Poids paillettes m1 = 3,5 g
La masse de la toile d'une superficie de 1m2 Mp = 8951g
Le coût principal d'un tissu d'une superficie de 1 m2: 240306 frotter
Consommation électrique au repos: Imin = 76A
Consommation électrique lors de la commutation de tous les éléments Web: Imax = 306A

Eh ... ne nous cousez pas de robes de sequins électroniques ...

résultats

Ici, vous pouvez facilement passer aux conclusions et parler des inconvénients de l'utilisation de dispositifs électromécaniques de reproduction des couleurs en général, et en particulier de nos paillettes.

Sont communs

La présence de pièces mobiles, la vulnérabilité aux dommages mécaniques, la faible fiabilité des éléments de matrice individuels, la vulnérabilité à la pollution.
Une petite palette de couleurs reproductibles.
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En général, la pensée était bonne, la mise en œuvre s'est avérée moins bonne ... Néanmoins, les travaux sur les «paillettes intelligentes» se poursuivent. Bientôt, nous essaierons de les placer sur des vêtements et nous partagerons certainement les résultats.

Paillettes intelligentes