🗨️ 🔏 🍝 Lantejoulas inteligentes 🌴 🧖🏼 🛠️

No artigo, falarei sobre como desenvolvemos um dispositivo eletromecânico de reprodução de cores em miniatura para roupas inteligentes e sistemas de camuflagem adaptáveis.

Prólogo

“Ela começou a subir no tronco da árvore. Os mecanismos do traje começaram a funcionar imediatamente, pintados na cor de uma casca de árvore, salpicados com manchas de luar. "

Scott Westerfield Special

Depois de ler estas linhas, minha imaginação foi capturada por essa ideia! Um traje capaz de se adaptar às condições ambientais, mudar de cor, padrão e textura. Ótimo sistema de camuflagem óptica. Além disso, roupas que podem mudar a aparência a pedido do proprietário ou dependendo de seus parâmetros fisiológicos.

"Ele estava usando um traje camaleão de policarbonato, capaz de reproduzir qualquer gama de tons pela ordem mental do proprietário, expressando mudanças de humor".

Ulyam Gibson "Neuromântico"

Autores de obras de literatura e cinema usam fantasias de camaleão como quiserem. Mas existem desenvolvimentos reais nessa área?
Uma revisão da literatura mostrou que diferentes países estão desenvolvendo sistemas de camuflagem adaptáveis, e uma variedade de dispositivos de reprodução de cores é usada:

matriz LED de polímero (displays PLED), 2011, sistema CAMELEON;
polímeros sensíveis ao calor , em 2014, pesquisadores da Universidade de Houston publicaram os resultados do trabalho de criação de uma matriz de elementos que podem mudar sua transparência quando aquecidos;
Em transflective displays , em 2015, a Folium Optics introduziu um protótipo em funcionamento na exposição internacional de tecnologia militar da DSEI.
polímeros eletroativos , em 2018, os desenvolvedores russos apresentaram um protótipo em funcionamento no fórum do Exército.

Mas quase todos os desenvolvimentos estão na fase de testes e protótipos de laboratório.

No processo de encontrar idéias para implementar algo semelhante, me deparei com algo novo.
Uma vez eles me perguntaram: "Você sabe o que são lantejoulas?"

É aqui que a história do desenvolvimento começa ...

Lantejoulas

No começo, quando contei a meus amigos e colegas sobre o que estava fazendo agora, eles pararam minha história logo no início e fizeram a mesma pergunta: "Lantejoulas?"
Portanto, explicarei imediatamente o que está em jogo.

Lantejoula (francês "grão de areia dourado") é um elemento decorativo da roupa, que é um pequeno círculo de plástico (flocos), com um pequeno orifício, deslocado para a borda, usado para fixá-lo (costurando) em um tecido ou outro material.

Além disso, esses círculos plásticos têm um "chip", eles podem girar (rolar), mostrando ao observador um ou outro lado, que pode ser pintado em cores diferentes.

Em geral, pareceu-me interessante. Panos de lantejoulas me lembraram telas de LED, apenas com baixa resolução e baixa reprodução de cores. Por outro lado, eles trabalham com luz refletida e são colocados de maneira flexível (roupas ou seus elementos).

Seria legal criar uma lantejoula que possa "folhear" de forma independente e mudar a cor que está sendo mostrada atualmente ao observador. Muitos desses dispositivos serão combinados em uma matriz capaz de reproduzir vários padrões, exibir texto, imagens e tudo isso em dinâmica!

Sequin eletrônico

Para começar, vários esboços foram feitos e os requisitos técnicos para o futuro produto foram formulados:

use pelo menos 2 cores;
tamanhos são comparáveis a lantejoulas reais;
peso leve e consumo de energia;
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Cada lantejoula eletrônica consiste em uma base com a qual é anexada a uma base futura (tecido). Na base está localizada a eletrônica, para controle e acionamentos de pétalas.

As pétalas estão localizadas no mesmo eixo.

Foi decidido que a primeira versão terá três cores:

para o primeiro protótipo, o tamanho não é a coisa mais importante; portanto, deixe a lantejoula um pouco maior do que o especificado na declaração de trabalho.

A estrutura da unidade de controle eletrônico: a

plataforma ArduinoNANO é selecionada como controlador. O torque dos motores (motores coletores) para as lantejoulas será transmitido através da engrenagem helicoidal. Como sensores para a posição das pétalas, são utilizados resistores variáveis, extraídos de pequenos servos SG90.

Funciona assim:

Tudo está como deveria! A única coisa que não agradou foi a baixa velocidade das pétalas, mas é o processo de depuração. Além disso, corrigimos essa ninharia no próximo protótipo.

Versão 2

No novo modelo, alteramos apenas a composição da unidade de controle eletrônico e adicionamos uma placa de circuito impresso para que o lantejoula se transformasse em um módulo completo. Agora, tudo era controlado por um microcontrolador ATtiny44 de 8 bits por meio do driver do motor L293DD.

É assim que parece:

E é assim que funciona:

Como você pode ver, não se fala de nenhum protocolo de troca de dados digitais até o momento. Primeiro você tinha que lidar com mecânica.

Versão 3

Na próxima versão, definimos a tarefa de aumentar o número de cores reproduzíveis para 5. Para fazer isso, precisamos aumentar o número de pétalas para 4 e fazê-las alternar entre uma e outra. A maneira mais fácil, obviamente, é aumentar o número de drives, mas, neste caso, é necessário colocar até 5 motores no sequin! Este é um aumento de peso, dimensões, complicação da unidade de controle eletrônico. Decidimos que esse é o caminho errado.

Para alcançar o resultado, tentamos várias maneiras. Uma das primeiras e mais interessantes, como me parece, é usar o torque de apenas um motor para conduzir as pétalas através de engrenagens mecânicas.

Assim foi o primeiro protótipo que montamos:

E funcionou:

Obviamente, nem os ângulos de velocidade nem de rotação são calculados neste modelo de demonstração. Pareceu-nos muito complicado, sim, e seria difícil implementar um grande número de componentes mecânicos para dimensões menores. No entanto, esta opção foi elaborada.

Por fim, decidimos esse esquema:

na verdade, salvamos a unidade de controle eletrônico do primeiro protótipo, mas alteramos os papéis dos motores, adicionamos componentes mecânicos e substituímos os sensores de posição dos lobos por interruptores de limite ópticos. Foi decidido usar o torque de um motor e, com a ajuda de uma caixa de engrenagens (caixa de transferência), para entregá-lo a cada lóbulo sequencialmente. A "transmissão" atual foi monitorada usando um resistor variável deslizante.

É assim que o novo mecanismo era:

Curiosamente, não funcionou mal:

Mas ele ainda tem mais desvantagens do que vantagens:

um grande número de engrenagens mecânicas (baixa confiabilidade);
muitos sensores precisam ser calibrados;
grandes dimensões;
baixa velocidade de movimento das pétalas.

Percebendo que, neste estágio, não podemos oferecer outra alternativa, começamos a trabalhar em uma direção diferente.

Smart Sequin

Finalmente, decidimos cuidar seriamente do tamanho de nossas lantejoulas. É necessário, pelo menos, aproximar-se das dimensões desses elementos decorativos da roupa. E diminuímos muito: o

número de cores reproduzidas foi reduzido para 2, como uma lantejoula real. Um motor de passo em miniatura foi tomado como a unidade para seu único lobo ( escrevi sobre isso em detalhes aqui ).

O valor do tempo de alternância entre cores é obtido por cálculos simples. O motor dá 8 passos com uma pausa entre os passos de 10ms. O cálculo permite apenas uma estimativa aproximada do tempo de comutação.

A corrente inativa ainda é uma quantidade significativa, mas se você usar os modos de baixa energia do controlador e driver, poderá reduzir esse valor.

A nova estrutura da unidade de controle eletrônico de lantejoulas:

decidimos manter a base do elemento com o controlador ATtiny44 e o driver L293DD.

Diagrama esquemático do dispositivo:

Uma pequena placa de circuito impresso foi projetada para lantejoulas:

Devido ao tamanho pequeno do dispositivo, tivemos que colocar microcircuitos em ambos os lados da placa, de fato, eles ocupam quase todo o espaço nela. É necessário alterar a base do elemento ...

Aparência do conjunto de prancha e lantejoulas:

Suave

Pareceu-nos que seria muito conveniente se as lantejoulas se comportassem de maneira semelhante aos LEDs na faixa de LEDs de endereço. Portanto, o protocolo de troca de dados foi implementado em conformidade. O controlador de controle de matriz aciona o fluxo de bits para todos os elementos da matriz no barramento, enquadrando o pacote com divisores de início e parada. No estado inativo, a linha é puxada para Vcc.

Como essas lantejoulas reproduzem apenas duas cores, apenas um bit é alocado para cada uma na embalagem.

A primeira lantejoula da linha percebe o separador de início, lê o primeiro bit pretendido e transfere o restante para o segundo sem alterações. A segunda lantejoula na linha novamente lê apenas o primeiro bit e transfere o restante para a cadeia. Assim, é possível conectar um grande número de módulos com a capacidade de controlar cada um separadamente, sem recorrer ao endereçamento.

Os bits seguem um após o outro em intervalos regulares. A duração do alto nível lógico determina que "0" ou "1" é codificado por esse pulso. Todos os procedimentos relacionados à troca de dados em lantejoulas são implementados através de interrupções. O separador de partida é fixado em uma extremidade descendente na linha PA3 (interrupção externa) e, em seguida, um timer é iniciado, o que gera interrupções em intervalos regulares. No manipulador de interrupção do timer, os intervalos de tempo e as durações de pulso são contados.

Eles não abriram nada de novo e é improvável que qualquer outra coisa possa ser inventada para uma interface de conexão única.

A plataforma Arduino, que se comunica com o computador, atua como o controlador de matriz (ou melhor, a fita) das lantejoulas. Escrevemos um pequeno aplicativo no ambiente de processamento, que permite o uso de uma matriz de 4 lantejoulas usando uma interface gráfica:

Sobre a funcionalidade

Vamos pensar nas vantagens que roupas que podem mudar de cor através do uso de lantejoulas eletromecânicas podem oferecer.

A primeira coisa que vem à mente é o uso de lantejoulas no design de roupas modernas. Se você procura um pouco de informação sobre as tendências do design moderno de roupas, muitas vezes encontra a frase "têxtil inteligente", "tecidos inteligentes", muitas referências a estilistas que imprimem suas roupas em uma impressora 3D e outras maravilhas tecnológicas da indústria da moda. Acredito que lantejoulas eletromecânicas se encaixam muito organicamente nesse conceito.

Outra aplicação são os sistemas de camuflagem adaptativos (ativos), conforme observado acima.

Além disso, cada pétala de lantejoulas pode ter uma textura brilhante ou fosca e é pintada em cores diferentes, o que significa que o lantejoulas absorverá a radiação solar de diferentes maneiras. Assim, o proprietário de roupas cobertas com essas lantejoulas, torna-se possível controlar seu microclima.

Além disso, as pétalas inferiores podem ter "poros" especiais que podem ser abertos e fechados pelas pétalas superiores; o excesso de umidade pode evaporar através desses "poros".

Ao mesmo tempo, se chover do lado de fora, o lantejoula pode fechar os “poros” com segurança, impedindo que a umidade fique sob a roupa.

Poucos números

Suponha que já tenhamos conseguido resolver o problema de colocar lantejoulas eletrônicas em um material elástico ou que tenhamos criado algum tipo de "tela mecânica" a partir desses pequenos dispositivos. Quais características a tela terá (nesta fase)?

Estimar o custo de fabricação de uma lantejoula.

Notas:

1. Preço de varejo - o preço médio de varejo de componentes eletrônicos em minha cidade.

2. Atacado - encomendar componentes eletrônicos em lotes da China.

* folha 208x248mm - 216 rublos. (Slist = 51584mm ^ 2), placas S = 391mm ^ 2, N placas na folha = 51584/391 = 131pcs, o custo de 1 placa = 1,64 rublos.
** bobina 1kg -1000 fricção., custo de 1 conjunto de peças = 1 fricção.

Acontece que, na produção em massa, o custo de um elemento é um pouco menos de 100 rublos.

Vamos calcular o número necessário de lantejoulas para criar uma tela com uma área de 1 m2:

A área de uma lantejoula S1 = 391mm2
A área da tela Sp = 1000000mm2
O número de lantejoulas na tela N = 2558pcs
Peso lantejoulas m1 = 3.5g
A massa da tela com uma área de 1m2 Mp = 8951g
O custo principal de um pano com uma área de 1 m2: 240306 esfregar
Consumo de energia em repouso: Imin = 76A
Consumo de energia ao alternar todos os elementos da banda: Imax = 306A

Eh ... não costure vestidos de lantejoulas eletrônicas ...

achados

Aqui você pode prosseguir suavemente com as conclusões e conversar sobre as desvantagens do uso de dispositivos eletromecânicos de reprodução de cores em geral, e em particular nossas lantejoulas.

São comuns

A presença de partes móveis, vulnerabilidade a danos mecânicos, baixa confiabilidade de elementos matriciais individuais, vulnerabilidade à poluição.
Uma pequena paleta de cores reproduzíveis.
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Em geral, o pensamento foi bom, a implementação acabou sendo menos boa ... No entanto, o trabalho em "lantejoulas inteligentes" continua. Em breve, tentaremos colocá-los em roupas e, definitivamente, compartilharemos os resultados.

Lantejoulas inteligentes