Butelka pokaże, że źle ją zakręciłeś. I to bez elektroniki

Prototypowa butelka powstała tak naprawdę jako demonstracja systemu ShiftLens. Jej zadaniem nie jest elektroniczne sprawdzanie szczelności ani mierzenie siły, z jaką użytkownik dokręcił nakrętkę. Ruch zakrętki zostaje bezpośrednio połączony ze zmianą wyglądu przedmiotu.

Gdy nakrętka pozostaje luźna, na powierzchni widoczne są czerwony kolor i symbol ostrzegawczy. Podczas dokręcania jej dolna krawędź naciska na ruchomą część obudowy. Po osiągnięciu właściwego położenia powierzchnia zmienia wygląd, pokazując zielone pole i znak potwierdzający zamknięcie. Butelka nie musi więc najpierw wykrywać swojego stanu, przesłać informacji do układu sterującego, a następnie włączyć lampki. Ten sam ruch, który ją zamyka, jednocześnie wybiera widoczny obraz. Mechanika pełni funkcję czujnika, przełącznika i sterownika.

Elektroniczny wskaźnik potrzebowałby zasilania, przewodów lub płytki drukowanej i zabezpieczenia przed wodą oraz chemikaliami. ShiftLens zostaje częścią samej konstrukcji przedmiotu.

Cały efekt opiera się na dwóch precyzyjnie ułożonych warstwach. Na górze znajduje się szereg niewielkich soczewek lentikularnych. Są to podłużne, zakrzywione soczewki kierujące światło w taki sposób, aby obserwator widział tylko wybrane fragmenty obrazu umieszczonego niżej.

Pod nimi znajduje się warstwa wzoru złożona z bardzo wąskich, przeplatających się pasków. Jedne tworzą pierwszy obraz, inne drugi, a w bardziej rozbudowanych konstrukcjach mogą kodować kolejne stany.

Podobną zasadę wykorzystują kartki i opakowania, na których obraz zmienia się po przechyleniu. Tam jednak o widocznym efekcie decyduje położenie oczu obserwatora. W ShiftLens soczewki i wzór przesuwają się względem siebie. To przedmiot wybiera obraz w odpowiedzi na konkretny ruch użytkownika.

Wystarczy tak naprawdę niewielkie przesunięcie, aby soczewki przestały pokazywać czerwone paski i odsłoniły zielone. Nie świecą, nie wytwarzają nowego koloru i nie potrzebują energii. Jedynie kierują do oczu światło odbite od odpowiedniej części wydrukowanego wzoru.

Przygotowanie takiej powierzchni wymaga zgrania ze sobą tak naprawdę trzech istotnych elementów: optyki, mechaniki i grafiki. Nawet niewielkie przesunięcie soczewek względem wzoru mogłoby sprawić, że oba obrazy nakładałyby się na siebie albo przestały być czytelne.

Aby projektant nie musiał samodzielnie obliczać kształtu każdej soczewki i położenia każdego paska, powstało specjalne narzędzie projektowe działające w środowisku Rhino i Grasshopper. Użytkownik wybiera kształt przedmiotu, sposób uruchamiania mechanizmu oraz obrazy, które mają pojawiać się w poszczególnych położeniach.

Program automatycznie tworzy soczewki, wzorzystą warstwę i elementy mechaniczne. Gotowy model można wykonać podczas jednego procesu na wielomateriałowej drukarce 3D. Przezroczyste fragmenty tworzą optykę, kolorowe odpowiadają za obrazy, a sztywne części prowadzą ruch warstw.

Jak pisaliśmy w tekście: Pociągasz za sznurek i wyrasta krzesło. Stworzyli materiał jak z bajki, współczesny druk 3D coraz częściej nie kończy się na odtworzeniu nieruchomego kształtu. Pozwala wbudować w przedmiot mechanizm, który po wydrukowaniu zgina się, rozkłada albo reaguje na prostą czynność użytkownika. W przypadku ShiftLens wydruk nie tylko się porusza. Jego powierzchnia zaczyna pełnić funkcję pasywnego wyświetlacza.

Butelka na chemikalia jest najbardziej praktycznym przykładem zastosowania takiej technologii, ale powstało już łącznie 6 demonstracyjnych przedmiotów. Jednym z nich jest długopis, którego obudowa pokazuje inny wzór zależnie od tego, czy końcówka została wysunięta.

W innym projekcie powstała tabliczka na drzwi. Przełączenie mechanicznego przełącznika zmienia widoczny komunikat bez ekranu i podłączania urządzenia do prądu. Kolejnym przykładem jest gra w kółko i krzyżyk, w której każde pole ma pokrętło pozwalające wybrać kółko, krzyżyk albo pusty stan.

Badacze przygotowali również opakowanie szminki zmieniające kolory podczas obracania korpusu oraz osłonę lampki, na której ruch rolki tworzy animację przypominającą płomienie. Świetnie udowadnia to, że system nie musi ograniczać się do dwóch prostych komunikatów. Przełącznik obsługuje dwa stany, pokrętło do pięciu, a mechanizm rolkowy może pokazywać nawet 10 kolejnych obrazów.

Powierzchnia mogłaby także informować o stanie połączenia rur, zapięciu opakowania transportowego albo położeniu mechanicznego zaworu. Szczególnie ciekawe są miejsca, w których elektronika byłaby kosztowna, zawodna lub trudna do zabezpieczenia: mokre pomieszczenia, zakłady chemiczne, przestrzeń na zewnątrz czy elementy regularnie ściskane i uderzane.

ShiftLens nie można nanieść na dowolny gotowy przedmiot. Obie warstwy muszą poruszać się względem siebie po precyzyjnie wyznaczonej drodze, dlatego technologia najlepiej działa na powierzchniach pozwalających na przesunięcie, obrót albo połączenie tych ruchów.

Im więcej obrazów zostanie zakodowanych, tym węższy staje się kąt, pod którym pozostają one dobrze widoczne. Problem rośnie na zakrzywionych powierzchniach, ponieważ soczewki po bokach przedmiotu są ustawione do obserwatora pod innym kątem niż te znajdujące się na środku.

Nie jest to również metoda służąca do pokazywania dowolnych, zmieniających się informacji. Elektroniczny ekran może wyświetlić każdą treść przesłaną przez oprogramowanie. ShiftLens pokazuje wyłącznie stany zapisane fizycznie podczas produkcji.

Prototypowe mechanizmy przeszły po 200 cykli przełączania bez widocznych uszkodzeń, ale to jeszcze nie jest odpowiednik wieloletnich testów przemysłowych. Warto zaznaczyć, że technologia została zaprezentowana jako system projektowy, a nie gotowa seria butelek przygotowana do masowej sprzedaży.

ShiftLens nie jest zastąpienie małego ekranu kolorowym nadrukiem. Chodzi tutaj bardziej o usunięcie całego łańcucha elementów, które zwykle stoją między czynnością człowieka a komunikatem zwrotnym. Ruch zakrętki nie jest mierzony przez czujnik. Sam przesuwa warstwę optyczną. Długopis nie sprawdza elektronicznie położenia wkładu. Naciśnięcie przycisku jednocześnie porusza wkład i zmienia wzór na obudowie.

Przeczytaj także:

Podobną filozofię można znaleźć chociażby w konstrukcjach, które wykonują proste zadania dzięki odpowiednio zaprojektowanej fizyce. Jak pisaliśmy w tekście: To robotyczne ramię nie potrzebuje elektroniki do działania. Czegoś takiego jeszcze nie było, niektóre urządzenia mogą reagować na otoczenie za pomocą przepływu powietrza i mechanicznych zaworów, bez procesora analizującego każdy ruch.