Index to NASA Tech Briefs, January - June 1966

Index to NASA technological innovations for January-June 196

Blending the Material and Digital World for Hybrid Interfaces

The development of digital technologies in the 21st century is progressing continuously and new device classes such as tablets, smartphones or smartwatches are finding their way into our everyday lives. However, this development also poses problems, as these prevailing touch and gestural interfaces often lack tangibility, take little account of haptic qualities and therefore require full attention from their users. Compared to traditional tools and analog interfaces, the human skills to experience and manipulate material in its natural environment and context remain unexploited. To combine the best of both, a key question is how it is possible to blend the material world and digital world to design and realize novel hybrid interfaces in a meaningful way. Research on Tangible User Interfaces (TUIs) investigates the coupling between physical objects and virtual data. In contrast, hybrid interfaces, which specifically aim to digitally enrich analog artifacts of everyday work, have not yet been sufficiently researched and systematically discussed. Therefore, this doctoral thesis rethinks how user interfaces can provide useful digital functionality while maintaining their physical properties and familiar patterns of use in the real world. However, the development of such hybrid interfaces raises overarching research questions about the design: Which kind of physical interfaces are worth exploring? What type of digital enhancement will improve existing interfaces? How can hybrid interfaces retain their physical properties while enabling new digital functions? What are suitable methods to explore different design? And how to support technology-enthusiast users in prototyping? For a systematic investigation, the thesis builds on a design-oriented, exploratory and iterative development process using digital fabrication methods and novel materials. As a main contribution, four specific research projects are presented that apply and discuss different visual and interactive augmentation principles along real-world applications. The applications range from digitally-enhanced paper, interactive cords over visual watch strap extensions to novel prototyping tools for smart garments. While almost all of them integrate visual feedback and haptic input, none of them are built on rigid, rectangular pixel screens or use standard input modalities, as they all aim to reveal new design approaches. The dissertation shows how valuable it can be to rethink familiar, analog applications while thoughtfully extending them digitally. Finally, this thesis’ extensive work of engineering versatile research platforms is accompanied by overarching conceptual work, user evaluations and technical experiments, as well as literature reviews.Die Durchdringung digitaler Technologien im 21. Jahrhundert schreitet stetig voran und neue Geräteklassen wie Tablets, Smartphones oder Smartwatches erobern unseren Alltag. Diese Entwicklung birgt aber auch Probleme, denn die vorherrschenden berührungsempfindlichen Oberflächen berücksichtigen kaum haptische Qualitäten und erfordern daher die volle Aufmerksamkeit ihrer Nutzer:innen. Im Vergleich zu traditionellen Werkzeugen und analogen Schnittstellen bleiben die menschlichen Fähigkeiten ungenutzt, die Umwelt mit allen Sinnen zu begreifen und wahrzunehmen. Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, stellt sich daher die Frage, wie neuartige hybride Schnittstellen sinnvoll gestaltet und realisiert werden können, um die materielle und die digitale Welt zu verschmelzen. In der Forschung zu Tangible User Interfaces (TUIs) wird die Verbindung zwischen physischen Objekten und virtuellen Daten untersucht. Noch nicht ausreichend erforscht wurden hingegen hybride Schnittstellen, die speziell darauf abzielen, physische Gegenstände des Alltags digital zu erweitern und anhand geeigneter Designparameter und Entwurfsräume systematisch zu untersuchen. In dieser Dissertation wird daher untersucht, wie Materialität und Digitalität nahtlos ineinander übergehen können. Es soll erforscht werden, wie künftige Benutzungsschnittstellen nützliche digitale Funktionen bereitstellen können, ohne ihre physischen Eigenschaften und vertrauten Nutzungsmuster in der realen Welt zu verlieren. Die Entwicklung solcher hybriden Ansätze wirft jedoch übergreifende Forschungsfragen zum Design auf: Welche Arten von physischen Schnittstellen sind es wert, betrachtet zu werden? Welche Art von digitaler Erweiterung verbessert das Bestehende? Wie können hybride Konzepte ihre physischen Eigenschaften beibehalten und gleichzeitig neue digitale Funktionen ermöglichen? Was sind geeignete Methoden, um verschiedene Designs zu erforschen? Wie kann man Technologiebegeisterte bei der Erstellung von Prototypen unterstützen? Für eine systematische Untersuchung stützt sich die Arbeit auf einen designorientierten, explorativen und iterativen Entwicklungsprozess unter Verwendung digitaler Fabrikationsmethoden und neuartiger Materialien. Im Hauptteil werden vier Forschungsprojekte vorgestellt, die verschiedene visuelle und interaktive Prinzipien entlang realer Anwendungen diskutieren. Die Szenarien reichen von digital angereichertem Papier, interaktiven Kordeln über visuelle Erweiterungen von Uhrarmbändern bis hin zu neuartigen Prototyping-Tools für intelligente Kleidungsstücke. Um neue Designansätze aufzuzeigen, integrieren nahezu alle visuelles Feedback und haptische Eingaben, um Alternativen zu Standard-Eingabemodalitäten auf starren Pixelbildschirmen zu schaffen. Die Dissertation hat gezeigt, wie wertvoll es sein kann, bekannte, analoge Anwendungen zu überdenken und sie dabei gleichzeitig mit Bedacht digital zu erweitern. Dabei umfasst die vorliegende Arbeit sowohl realisierte technische Forschungsplattformen als auch übergreifende konzeptionelle Arbeiten, Nutzerstudien und technische Experimente sowie die Analyse existierender Forschungsarbeiten

Maker Math: Exploring Mathematics through Digitally Fabricated Tools with K–12 In-Service Teachers

This paper reports on nine elementary, middle, and high school in-service teachers who participated in a series of workshops aimed at exploring the wonder, joy, and beauty of mathematics through the creation and application of digitally fabricated tools (i.e., laser-cut and 3D printed). Using the Technological Pedagogical and Content Knowledge (TPACK) framework to investigate technological, pedagogical, contextual, and content knowledge, researchers applied qualitative methods to uncover the affordances and constraints of teaching and learning math concepts with digitally fabricated tools and examined how the workshops supported broadening participation in mathematics by focusing on the connections between mathematical inquiry, nature, and the arts. Affordances include opportunities for hands-on learning, visual support at the secondary level, and real-world connections that go beyond the state standards. Barriers include purchasing a laser-cutter, ventilation and noise issues, time constraints, misalignment with school and district priorities, and a lack of administrative support. All participants indicated that they were interested in additional workshops focused on designing their own digitally fabricated mathematics tools that better align with their grade level(s) and standards

A Digital Manufacturing Process For Three-Dimensional Electronics

Additive manufacturing (AM) offers the ability to produce devices with a degree of three-dimensional complexity and mass customisation previously unachievable with subtractive and formative approaches. These benefits have not transitioned into the production of commercial electronics that still rely on planar, template-driven manufacturing, which prevents them from being tailored to the end user or exploiting conformal circuitry for miniaturisation. Research into the AM fabrication of 3D electronics has been demonstrated; however, because of material restrictions, the durability and electrical conductivity of such devices was often limited. This thesis presents a novel manufacturing approach that hybridises the AM of polyetherimide (PEI) with chemical modification and selective light-based synthesis of silver nanoparticles to produce 3D electronic systems. The resulting nanoparticles act as a seed site for the electroless deposition of copper. The use of high-performance materials for both the conductive and dielectric elements created devices with the performance required for real-world applications. For printing PEI, a low-cost fused filament fabrication (FFF); also known as fused deposition modelling (FDM), printer with a unique inverted design was developed. The orientation of the printer traps hot air within a heated build environment that is open on its underside allowing the print head to deposit the polymer while keeping the sensitive components outside. The maximum achievable temperature was 120 °C and was found to reduce the degree of warping and the ultimate tensile strength of printed parts. The dimensional accuracy was, on average, within 0.05 mm of a benchmark printer and fine control over the layer thickness led to the discovery of flexible substrates that can be directly integrated into rigid parts. Chemical modification of the printed PEI was used to embed ionic silver into the polymer chain, sensitising it to patterning with a 405 nm laser. The rig used for patterning was a re-purposed vat-photopolymerisation printer that uses a galvanometer to guide the beam that is focused to a spot size of 155 µm at the focal plane. The positioning of the laser spot was controlled with an open-sourced version of the printers slicing software. The optimal laser patterning parameters were experimentally validated and a link between area-related energy density and the quality of the copper deposition was found. In tests where samples were exposed to more than 2.55 J/cm^2, degradation of the polymer was experienced which produced blistering and delamination of the copper. Less than 2.34 J/cm^2 also had negative effect and resulted in incomplete coverage of the patterned area. The minimum feature resolution produced by the patterning setup was 301 µm; however, tests with a photomask demonstrated features an order of magnitude smaller. The non-contact approach was also used to produce conformal patterns over sloped and curved surfaces. Characterisation of the copper deposits found an average thickness of 559 nm and a conductivity of 3.81 × 107 S/m. Tape peel and bend fatigue testing showed that the copper was ductile and adhered well to the PEI, with flexible electronic samples demonstrating over 50,000 cycles at a minimum bend radius of 6.59 mm without failure. Additionally, the PEI and copper combination was shown to survive a solder reflow with peak temperatures of 249°C. Using a robotic pick and place system a test board was automatically populated with surface mount components as small as 0201 resistors which were affixed using high-temperature, Type-V Tin-Silver-Copper solder paste. Finally, to prove the process a range of functional demonstrators were built and evaluated. These included a functional timer circuit, inductive wireless power coils compatible with two existing standards, a cylindrical RF antenna capable of operating at several frequencies below 10 GHz, flexible positional sensors, and multi-mode shape memory alloy actuators

Development of Fully Printed Oxide Electronics for Flexible Substrates

Mit dem Erscheinen des Internets der Dinge (IoT) und dem Wunsch Alltagsgegenständeintelligenter zu machen, steigt die Nachfrage an mechanisch flexiblen oder in Textilien integrierbare Sensoren dieser nächsten Generation. Schon jetzt werden unzählige dieser Sensoren benötigt, um den immer größer werdenden Bedarf zu decken. Aus diesem Grund sind kostengünstige Herstellungsprozesse, die eine großflächige Herstellung auf einem flexiblen Substrat erlauben von Interesse. Das Drucken funktionaler Tinten erlaubt die Herstellung kostengünstiger elektronischer Bauteile auf flexiblen Substraten. Das vollständige Drucken von elektronischen Bauelementen hat in den letzten zwei Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen, dank einfacher und kostengünstiger Skalierung dieser gedruckten Bauelemente. Um den komplexen Anforderungen zukünftiger Sensoren gerecht zu werden müssen gedruckte elektronische Elemente wie beispielsweise Kondensatoren oder Transistoren auf flexiblen Substraten, integriert werden. Flexible, überwiegend p-leitende, organische Halbleiter sind bis zum jetzigen Zeitpunkt weit verbreitet, sind aber unter normalen Umgebungsbedingungen instabil und weisen eine geringe Ladungsträgerbeweglichkeit auf. Metalloxide, die ebenfalls n-leitende Halbleiter sind, können die Nachteile von organischen Materialien überwinden und zudem auf flexiblen Substraten, wie z.B. PET oder PEN aufgebracht werden. Nichtsdestotrotz wird die Herstellung von vollständig gedruckten Schaltungen auf flexiblen Substraten von vielen verschiedenen Faktoren beeinflusst. Insbesondere ist es wichtig, dass die Bauteile auf dem Substrat haften, kompatibel mit anderen elektronischen Bauelemente und die Prozesstemperaturen auf das Substrat abgestimmt sind. Auch der Einfluss von Leistungsparametern wie der Ladungsträgerbeweglichkeit, der mechanischen Stabilität oder der Reproduzierbarkeit sind nicht zu vernachlässigen. Die elektronischen Komponenten einer Schaltung beinhalten elektrisch leitende Elemente (Elektroden und elektrische Verbindungen), die leitende Tinten wie Silber oder Graphen), Halbleiter basierend auf Metalloxiden (ZnO, In2O3) und elektrische Isolatoren wie beispielsweise als Gate-Dielektrikum dienende Elektrolyte benötigen. Daher müssen die zuvor aufgeführten Materialien unter Berücksichtigung der physikalischen Gegebenheiten des Substrates in einem Druckprozess integriert werden. Des Weiteren müssen die chemische und elektrische Kompatibilität aller Komponenten berücksichtigt werden, um die Leistung der gedruckten Schaltung zu maximieren. Daher liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf der Entwicklung von gedruckten (Metall)Oxid-Transistoren und Logikgattern auf flexiblen Substraten. Insbesondere auf die Architektur der Transistoren wird hierbei eingegangen. Durch ein Elektrolyt isolierte Transistoren, mit Indiumoxid als aktiven Semikonduktor und den durch konduktive Graphentinte realisierten Elektroden und elektrischen Verbindungen als passive Komponenten, werden vollständig auf ein Glassubstrat gedruckt. Verschiedene Transistorarchitekturen werden analysiert, um Kontaktwiderstände und chemische Reaktionen zu minimieren und gleichzeitig die aktive Fläche im Halbleiter zu maximieren. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Schlüsselparametern der gedruckten Transistoren wie beispielsweise Kapazitäten, Schaltgeschwindigkeit, Ein-, Ausschaltströme und Schwellwertspannung, die für eine große Anzahl an Transistoren analysiert wird. Die Isolation der Transistoren mit einem Elektrolyten erlaubt es, die eingesetzten Versorgungsspannungen auf 1 V zu reduzieren und als gedruckte Batterien zur Spannungsversorgung einzusetzen. Diese Transistoren zeigen mit nur 0.33Ωcm einen deutlich niedrigeren Kontaktwiederstand als Transistoren mit konventionellem Dielektrikum. Um die Transistoren für den potentiellen Einsatz in elektronische Schaltungen zu untersuchen, werden Logikgatter in Form von Invertern in der Widerstands-Transistor-Logik (TRL) gedruckt und analysiert. Um diese Gatter auf ein mechanisch flexibles Polyamid Substrat zu drucken, wird besondere Aufmerksamkeit auf die Vorbereitung des Substrats und die Ermittlung kritischer Parameter wie die Signalverstärkung und Signallaufzeiten gelegt. Die Signalverstärkung von 3.5 ist für diese Inverter identisch zu Invertern welche auf unflexiblen Substrate gedruckt sind. Des Weiteren wird die mechanische Flexibilität von Indiumoxid auf dem Polyamidsubstrat über mehrere Zyklen hinweg untersucht. Abschließend, für die Kompatibilität mit den PEN-Substrate wird die Prozesstemperatur vom Indiumoxid reduziert. Das Formen eines Indiumoxid-Films wird dabei durch optische anstatt thermischen Methode erzielt, wodurch die Prozesszeit von 2 Stunden auf etwa 20 Millisekunden reduziert werden kann. Zusammenfassend beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung von vollständig gedruckten elektronischen Bauelementen, die auf Metalloxiden basieren und die auf preisgünstigen Plastiksubstraten prozessiert werden., Diese Entwicklung ebnet den Weg für den zukünftigen Einsatz in digitalisierten und role-to-roll kompatiblen elektronischen Anwendungen wie Großraum Displays und tragbaren Sensoren

Improved Overlay Alignment of Thin-film Transistors and their Electrical Behaviour for Flexible Display Technology

The integration of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin-film transistors (TFTs) with plastic substrates enables emerging technologies such as flexible organic light emitting diode (OLED) displays. Current a-Si fabrication processes, however, create residual thin film stress that affects the underlying flexible substrate due to its high mismatch in the coefficient of thermal expansion resulting in a dimensional instability for fabricating TFTs on large area flexible substrates. The motivation of this thesis is to reduce this non-uniformity and improve fabrication throughput of bottom-gated inverted-staggered a-Si:H TFTs on flexible substrates. This thesis therefore encompasses the study of overlay misalignment on TFTs over 3 inch flexible substrates and investigates the electrical characteristics of the TFTs fabricated on plastic platforms. To reduce overlay misalignment of TFTs fabricated on flexible substrates, a plastic-on-carrier lamination process has been developed. The technique comprises of a polyimide tape to attach a 125 um-thick poly-ethylene-napthalate (PEN) flexible substrate to a rigid carrier. This process has been used to minimize stress induced strain of the PEN substrate during the fabrication process; strain, which has been observed after processing a-Si:H TFTs on free-standing substrates. This technique would in turn assist in fabricating uniform stacked-layers as required for a-Si:H TFT fabrication on the PEN substrates. Overlay misalignment is measured after each of the 5 consecutive lithographic steps at 4 corner-most edges of the PEN substrates using a standard optical microscope. Results have shown an overlay misalignment reduction from 21 um to 2 um on average based on the TFTs fabricated on free-standing flexible substrates while ensuring a centre alignment accuracy of +/- 0.5 um. Post fabrication adhesive removal to separate the PEN substrate from the rigid carrier has been accomplished by sample immersion in acetone. The results present a significant increase in fabrication throughput by reducing lithographic overlay misalignment such that the resolution of large-area flexible electronics would be enhanced. Electrical characteristics show the average performance of a-Si:H TFTs with an ON/OFF current ratio of 10^8, field effect mobility of ~0.8 cm^2/Vs, and gate leakage current of 10^-13 A.1 yea

Digital fabrication of custom interactive objects with rich materials

As ubiquitous computing is becoming reality, people interact with an increasing number of computer interfaces embedded in physical objects. Today, interaction with those objects largely relies on integrated touchscreens. In contrast, humans are capable of rich interaction with physical objects and their materials through sensory feedback and dexterous manipulation skills. However, developing physical user interfaces that offer versatile interaction and leverage these capabilities is challenging. It requires novel technologies for prototyping interfaces with custom interactivity that support rich materials of everyday objects. Moreover, such technologies need to be accessible to empower a wide audience of researchers, makers, and users. This thesis investigates digital fabrication as a key technology to address these challenges. It contributes four novel design and fabrication approaches for interactive objects with rich materials. The contributions enable easy, accessible, and versatile design and fabrication of interactive objects with custom stretchability, input and output on complex geometries and diverse materials, tactile output on 3D-object geometries, and capabilities of changing their shape and material properties. Together, the contributions of this thesis advance the fields of digital fabrication, rapid prototyping, and ubiquitous computing towards the bigger goal of exploring interactive objects with rich materials as a new generation of physical interfaces.Computer werden zunehmend in Geräten integriert, mit welchen Menschen im Alltag interagieren. Heutzutage basiert diese Interaktion weitgehend auf Touchscreens. Im Kontrast dazu steht die reichhaltige Interaktion mit physischen Objekten und Materialien durch sensorisches Feedback und geschickte Manipulation. Interfaces zu entwerfen, die diese Fähigkeiten nutzen, ist allerdings problematisch. Hierfür sind Technologien zum Prototyping neuer Interfaces mit benutzerdefinierter Interaktivität und Kompatibilität mit vielfältigen Materialien erforderlich. Zudem sollten solche Technologien zugänglich sein, um ein breites Publikum zu erreichen. Diese Dissertation erforscht die digitale Fabrikation als Schlüsseltechnologie, um diese Probleme zu adressieren. Sie trägt vier neue Design- und Fabrikationsansätze für das Prototyping interaktiver Objekte mit reichhaltigen Materialien bei. Diese ermöglichen einfaches, zugängliches und vielseitiges Design und Fabrikation von interaktiven Objekten mit individueller Dehnbarkeit, Ein- und Ausgabe auf komplexen Geometrien und vielfältigen Materialien, taktiler Ausgabe auf 3D-Objektgeometrien und der Fähigkeit ihre Form und Materialeigenschaften zu ändern. Insgesamt trägt diese Dissertation zum Fortschritt der Bereiche der digitalen Fabrikation, des Rapid Prototyping und des Ubiquitous Computing in Richtung des größeren Ziels, der Exploration interaktiver Objekte mit reichhaltigen Materialien als eine neue Generation von physischen Interfaces, bei

Persistence of Vision: The Value of Invention in Independent Art Animation

The focus of this investigation is in the realm of animation that straddles the ever-shrinking gulf between a screening and an exhibition, the theater and the art gallery. There is a subtle maturity and movement in the animation art world that not only continues but also extends the often-overlooked legacy of independent animation while engaging the conceptual dialogue of contemporary art. This tradition of an art aesthetic is passed from the early inventors who fashioned the necessary tools and images. The myriads of techniques and concepts evidenced throughout this history inform the current practitioner, just as digital technology and the aesthetic questioning of art offer a broad opportunity for frame-by-frame moving images

Application Of Alkylsilane Self-assembled Monolayers For Cellpatterning And Development Of Biolocial Microelectromechanicalsyste

Advances in microfabrication and surface chemistry techniques have provided a new paradigm for the creation of in vitro systems for studying problems in biology and medicine in ways that were previously not practical. The ability to create devices with micro- to nano-scale dimensions provides the opportunity to non-invasively interrogate and monitor biological cells and tissue in large arrays and in a high-throughput manner. These systems hold the potential to, in time, revolutionize the way problems in biology and medicine are studied in the form of point-of-care devices, lab-on-chip devices, and biological microelectromechanical systems (BioMEMS). With new in vitro models, it will be possible to reduce the overall cost of medical and biological research by performing high-throughput experiments while maintaining control over a wide variety of experimental variables. A critical aspect of developing these sorts of systems, however, is controlling the device/tissue interface. The surface chemistry of cell-biomaterial and protein-biomaterial interactions is critical for long-term efficacy and function of such devices. The work presented here is focused on the application of surface and analytical chemistry techniques for better understanding the interface of biological elements with silica substrates and the development a novel Bio-MEMS device for studying muscle and neuromuscular biology. A novel surface patterning technique based on the use of a polyethylene glycol (PEG) silane self-assembled monolayer (SAM) as a cytophobic surface and the amine-terminated silane diethyeletriamine (DETA) as a cytophilic surface was developed for patterning a variety of cell types (e.g. skeletal muscle, and neural cells) over long periods of time (over 40 days) with high fidelity to the patterns. This method was then used to pattern embryonic rat skeletal muscle and motor neurons onto microfabricated silicon cantilevers creating a novel biological microelectromechanical system (BioMEMS) for studying muscle and the neuromuscular junction. This device was then used to study the effect of exogenously applied substances such as growth factors and toxins. Furthermore, a whispering-gallery mode (WGM) biosensor was developed for measuring the adsorption of various proteins onto glass microspheres coated with selected silane SAMS commonly used in BioMEMS system. With this biosensor it was possible to measure the kinetics of protein adsorption onto alkylsilane SAMS, in a real-time and label-free manner