3D-Druck: Drahtlos vernetzt ohne Elektronik

Eine Flasche mit Flüssigwaschmittel, die merkt, wenn sie fast leer ist und dann automatisch im Internet für Nachschub sorgt: Wissenschaftler der University of Washington lassen dies mit 3D-gedruckten Plastikobjekten und Sensoren Wirklichkeit werden, die Daten sammeln und mit anderen WiFi-Geräten austauschen, ohne dabei auf elektronische Bauteile angewiesen zu sein.

Mit CAD-Modellen, die das Team der University of Washington (UW) der Öffentlichkeit bereitstellt, können 3D-Druck-Begeisterte Objekte herstellen, die drahtlos mit anderen smarten Geräten interagieren können. Dabei kann es sich beispielsweise um einen batteriefreien Regler für die Lautstärke handeln, einen Schalter, der automatisch Cornflakes von Amazon ordert, oder einen Flüssigkeitssensor, der am Smartphone Alarm schlägt, wenn eine Leitung leckt.

Vikram Iyer, einer der Hauptautoren der Arbeit und Doktorand an der UW, erklärt: „Wir wollten etwas erschaffen, das einfach auf Ihrem 3D-Drucker kommt und brauchbare Informationen an andere Geräte sendet. Aber die große Frage ist, wie man nur mit Plastik drahtlos per WiFi kommunizieren kann? Das hat bisher noch keiner geschafft.“ Die Lösung wird in einem Paper beschrieben, das Ende November an der SIGGRAPH-Konferenz in Asien vorgestellt wurde.

Um Objekte, die mit kommerziellen WiFi-Empfängern kommunizieren können, in 3D zu drucken, hat das Team Verfahren für die Rückstreuung eingesetzt, mit dem die Geräte Informationen austauschen können.  In dem Fall haben die Wissenschaftler einige üblicherweise von elektrischen Bauteilen übernommene Funktionen durch mechanische Bewegung mittels Federn, Zahnräder und Schaltern ersetzt, die sich drucken lassen. Dabei hat man sich der Prinzipien mechanischer Uhren bedient.

Lösungen, die auf Rückstreuung basieren, verfügen über eine Antenne, um Daten zu übertragen, indem sie Funksignale eines WiFi-Routers reflektieren. Die Informationen in diesen reflektierten Mustern kann ein WiFi-Empfänger entschlüsseln. Hier ist die Antenne ein 3D-gedrucktes Objekt aus einem leitenden Filament gefertigt, das Plastik und Kupfer kombiniert.

Die physische Bewegung, ein Knopfdruck, löst die Zahnräder und Federn an anderen Stellen im 3D-gedruckten Objekt aus, die über einen Schalter eine Verbindung mit der Antenne herstellen oder unterbinden und damit deren reflektiven Status ändern. Die binäre Information ist in der An- oder Abwesenheit von Zähnen am Zahnrad verschlüsselt. Die Energie einer Wendelfeder treibt das Räderwerk an und der Abstand und das Muster der Zähne steuert, wie lang der Schalter einen Kontakt mit der Antenne aufrechterhält. Das entsprechende Muster reflektierter Signale kann dann der WiFi-Empfänger dekodieren.

Wenn man etwa Flüssigwaschmittel aus einer Flasche ausgieße, könne die Geschwindigkeit, mit der sich die Räder drehen, zeigen, wieviel Seife ausfließt. Die Interaktion zwischen 3D-gedrucktem Schalter und Antenne sorge für die Übertragung dieser Daten, so Shyam Gollakota, Professor an der Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. Der Empfänger könne dann verfolgen, wieviel Waschmittel übrig und wann eine kritische Menge unterschritten sei, um über eine App Nachschub zu bestellen.

Das Team vom UW Networks & Mobile Systems Lab hat verschiedene Gegenstände gedruckt, die erfolgreich Informationen an andere vernetzte Geräte senden konnten: einen Windmesser, einen Durchflussmesser und eine Waage. Zudem haben sie einen Durchflussmesser hergestellt, der sich für das Beobachten und Bestellen von Waschmittel einsetzen ließ, und einen Reagenzglashalter, der beim Kontrollieren der Vorräte oder beim Messen der Flüssigkeitsmenge in jedem Röhrchen Anwendung fand.

Darüber hinaus wurden Eingabe-Vorrichtungen für WiFi gedruckt, wie Knöpfe, Drehschalter und Schieber, die sich an die Kommunikation mit anderen Geräten im Smart Home anpassen lassen und die ein vielfältiges Ökosystem „sprechender Objekte“ erschaffen helfen, das nahtlos mit der Umgebung interagiert.

Magnetische Eigenschaften spezieller Werkstoffe für den 3D-Druck könnten zum Einsatz kommen, um statische Daten in den oben erwähnten Objekten zu verschlüsseln. Das könnte sich bei der Barcode-Identifizierung in der Bestandserfassung als hilfreich erweisen, oder dafür, dass ein Objekt einem Roboter mitteilen kann, wie mit ihm umzugehen ist.  Für diesen Zweck lässt sich eine abgeänderte Werkstoffmischung aus Plastik und Eisen einsetzen.  

Bild oben: Ingenieure der University of Washington haben 3D-gedruckte Objekte entwickelt, die ohne Elektronik drahtlos Daten übertragen können. Die hier gezeigte Vorrichtung erkennt, wenn das Waschmittel ausgeht und bestellt automatisch Nachschub. Bild: Mark Stone/University of Washington

Video: https://www.youtube.com/watch?v=gU6-o9SIkMQ

Paper: http://printedwifi.cs.washington.edu/printedwifi.pdf

  • In diesem auf Rückstreuung basierenden System reflektiert eine in das 3d-gedruckte Objekt eingebaute Antenne das Funksignal eines herkömmlichen WiFi-Routers, um die Information zu verschlüsseln, die vom WiFi-Empfänger im Smartphone oder am Rechner „gelesen“ wird. Bild: University of Washington
  • Die 3D-gedruckten Zahnräder (weiß) und die Feder (blaue Spirale) bedienen eine Schalter (weiße Box mit grauer Oberfläche) aus leitendem Plastikmaterial. Der Schalter ändert den reflektiven Status der 3D-gedruckten Antenne (grauer Streifen), um die Informationen an den WiFi-Empfänger weiterzuleiten. Zahnradform und Umdrehungsgeschwindigkeit verschlüsseln die digitalen Daten. Bild: Mark Stone / University of Washington
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