Мини-взрывы, вызванные искрой, выскакивают крошечные точки для чтения шрифтом Брайля

Создание тактильного дисплея Брайля с быстрым откликом для пользователей с ослабленным зрением, на котором точки поднимаются вверх, а затем возвращаются на поверхность (или почти так), - это задача электронного движения. Одна из проблем заключается в том, что для удобного отображения текста Брайля требуется большое количество крошечных точек (диаметром 1-3 мм) с очень малым шагом (около 5 мм). Полностраничный дисплей Брайля (25 строк, 40 ячеек в строке) имеет 6000 точек, что явно не подходит для обычных решений с электромеханическим приводом.

В то время как мягкие пневматические приводы первоначально показали себя многообещающими в качестве тактильных дисплеев с малым разрешением, они непрактичны, поскольку их регулирующие клапаны более громоздки, чем сами приводы.

Другие альтернативы также имеют ограничения: тепловым приводам обычно требуется несколько секунд, чтобы завершить цикл «рабочего цикла» нагрева / охлаждения при отсутствии аксессуаров для регулирования температуры (из-за ограничений теплопередачи); импульсные электромагнитные системы страдают от низких сил срабатывания и помех между отдельными исполнительными механизмами (перекрестные помехи) при уменьшении до размера точки Брайля; а пьезоэлектрические устройства имеют большие производственные затраты в масштабе и нуждаются в более длинной консольной геометрии, которая препятствует их размещению в плотно упакованном массиве.

Теперь совместными усилиями исследователей из Корнельского университета и Израильского технологического института Технион был разработан и протестирован радикально иной подход. Они использовали крошечные электроды для воспламенения микрообъема предварительно смешанного метана и кислорода, что привело к надуванию тонкой силиконовой мембраны (рис. 1) .

1. Микролитровое сгорание без клапана многократно и мощно вытесняет гиперэластичные мембраны: (A) Изображение одноцилиндрового привода (диаметр 5 мм, глубина 2 мм) детализирует конструкцию и внутрицилиндровое расположение отверстий для газа и электродов искрового зажигания.  Электроды из жидкого металла (LM) оканчиваются на краю цилиндра (вставка);  их открытые поверхности, образующие искровой разрядник.  (B) Высокоскоростная фотография фиксирует быструю динамику срабатывания одного цилиндра.  (Масштаб: 3 мм) (C) Анализ изображений из высокоскоростных видеороликов показывает, что скорость реакции горения метана & ndash; кислорода резко возрастает по мере того, как отношение газового эквивалента & Phi;  поднимается.  (D) Максимальные коэффициенты растяжения мембраны, оцененные на основе тех же видеоданных, которые использовались в C, выше 400%.  (E) Выход энергии, время отклика (частота отклика хода),  а показатели объема исполнительного механизма, взятые из литературы, отражают приблизительную плотность мощности других известных систем тактильного отображения.  (F) Непрерывное пополнение реагентов позволяет высоким частотам искры запускать высокочастотные срабатывания до 1,2 кГц.  Вертикальные линии показывают частоту искры, равную теоретической скорости, с которой поток газа наполняет цилиндр (затенение показывает стандартное отклонение каждого измерения).
1. Микролитровое сгорание без клапана многократно и мощно вытесняет гиперэластичные мембраны: (A) Изображение одноцилиндрового привода (диаметр 5 мм, глубина 2 мм) детализирует конструкцию и внутрицилиндровое расположение отверстий для газа и электродов искрового зажигания. Электроды из жидкого металла (LM) оканчиваются на краю цилиндра (вставка); их открытые поверхности, образующие искровой разрядник. (B) Высокоскоростная фотография фиксирует быструю динамику срабатывания одного цилиндра. (Масштаб: 3 мм) (C) Анализ изображений из высокоскоростных видеороликов показывает, что скорость реакции горения метана и кислорода резко возрастает по мере увеличения соотношения газового эквивалента Φ. (D) Максимальные коэффициенты растяжения мембраны, оцененные на основе тех же видеоданных, которые использовались в C, выше 400%. (E) Выход энергии, время отклика (частота отклика хода), а показатели объема исполнительного механизма, взятые из литературы, отражают приблизительную плотность мощности других известных систем тактильного отображения. (F) Непрерывное пополнение реагентов позволяет высоким частотам искры запускать высокочастотные срабатывания до 1,2 кГц. Вертикальные линии показывают частоту искры, равную теоретической скорости, с которой поток газа наполняет цилиндр (затенение показывает стандартное отклонение каждого измерения).

Управляемый «взрыв» может быть направлен через независимые каналы для поднятия определенных точек для получения тактильной индикации (примечание: это не то же самое, что тактильные ощущения). Система магнитной фиксации придает этим точкам постоянство после зажигания, но их можно сбросить, просто нажав на них.

Искрящиеся следы
Ключ к новой системе - это массив формованного силикона и микрожидкостных следов жидкого металла, которые действуют как электроды для создания искр для воспламенения обедненной топливной смеси метана и кислорода в силиконовом цилиндре диаметром 5 мм и высотой 2 мм. Экзотермическая реакция быстро создает давление в цилиндре, смещая силиконовую мембрану до 6 мм менее чем за 1 мс. В этих небольших масштабах поведение пламени, которое гасит стенки, позволило исследователям построить массив 3 × 3 цилиндров диаметром 3 мм с шагом 4 мм (рис. 2) .

2. Конструкция для индивидуально адресуемых массивов мягких исполнительных механизмов с высокой плотностью размещения.  (A) Массивная конструкция привода соответствует требованиям и биосовместима.  (Масштабная линейка: 15 мм) (B) Покомпонентное изображение визуализирует послойную архитектуру устройства.  (C) Высокоскоростные изображения показывают индивидуальную работу различных исполнительных механизмов (фильм S5).  Двумерная диаграмма высоковольтных трасс демультиплексирования (ВН) приведена в правом углу.  (Масштаб: 5 мм) (D) Было продемонстрировано приложение тактильного дисплея с элементарной решеткой магнитных фиксирующих штифтов, размещенной непосредственно над мембранами;  штифты лежат в стальной обработанной пластине.
2. Конструкция для индивидуально адресуемых массивов мягких исполнительных механизмов с высокой плотностью размещения. (A) Массивная конструкция привода соответствует требованиям и биосовместима. (Масштабная линейка: 15 мм) (B) Покомпонентное изображение визуализирует послойную архитектуру устройства. (C) Высокоскоростные изображения показывают индивидуальную работу различных исполнительных механизмов (фильм S5). Двумерная диаграмма высоковольтных трасс демультиплексирования (ВН) приведена в правом углу. (Масштаб: 5 мм) (D) Было продемонстрировано приложение тактильного дисплея с элементарной решеткой магнитных фиксирующих штифтов, размещенной непосредственно над мембранами; штифты лежат в стальной обработанной пластине.

Кроме того, приводы из жидкого эластомера быстро охлаждаются, и требуется очень мало топлива, поэтому они утверждают, что коммерческая версия будет безопасной, несмотря на возможные опасения по поводу метана со стороны потенциальных пользователей. Среди множества неочевидных проблем, которые пришлось решить команде, был риск возникновения «ретроспективного кадра» из-за искры - хорошо известная проблема в трубопроводах большего размера. Здесь они должны были разработать и установить мелкосерийный металлический диск толщиной 1,5 мм в центральном стыке топливных каналов, чтобы предотвратить это.

Они демультиплексировали напряжения через высоковольтные герконовые реле, расположенные на двух небольших медных макетных пластинах печатной платы, после тестирования индивидуального контроля искры (рис. 3 и 4) , перекрестных помех и индуктивных выбросов. Переключение реле контролировалось через цифровые выходные порты Arduino Uno. Хотя исследователи явно не называли напряжение, которое они использовали в своей опубликованной статье, их изолированный источник постоянного / постоянного тока рассчитан на выходное напряжение 2 кВ, 250 мкА.