651 research outputs found

    Digital fabrication of custom interactive objects with rich materials

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    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

    PDMSkin – On-Skin Gestures with Printable Ultra-Stretchable Soft Electronic Second Skin

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    Innovative enabling technologies are key drivers of human augmentation. In this paper, we explore a new, conductive, and configurable material made from Polydimethylsiloxane (PDMS) that is capillary doped with silver particles (Ag) using an immiscible secondary fluid to build ultra-stretchable, soft electronics. Bonding silver particles directly with PDMS enables inherently stretchable Ag-PDMS circuits. Compared to previous work, the reduced silver consumption creates significant advantages, e.g., better stretchability and lower costs. The secondary fluid ensures self-assembling conductivity networks. Sensors are 3D-printed ultra-thin (200%. Therefore, printed circuits can attach tightly onto the body. Due to biocompatibility, devices can be implanted (e.g., open wounds treatment). We present a proof of concept on-skin interface that uses the new material to provide six distinct input gestures. Our quantitative evaluation with ten participants shows that we can successfully classify the gestures with a low spatial-resolution circuit. With few training data and a gradient boosting classifier, we yield 83% overall accuracy. Our qualitative material study with twelve participants shows that usability and comfort are well perceived; however, the smooth but easy to adapt surface does not feel tissue-equivalent. For future work, the new material will likely serve to build robust and skin-like electronics

    Monolithic solder-on nanoporous Si-Cu contacts for stretchable silicone composite sensors

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    We report a method of creating solderable, mechanically robust, electrical contacts to interface (soft) silicone-based strain sensors with conventional (hard) solid-state electronics using a nanoporous Si-Cu composite. The Si-based solder-on electrical contact consists of a copper-plated nanoporous Si top surface formed through metal-assisted chemical etching and electroplating, and a smooth Si bottom surface which can be covalently bonded onto silicone-based strain sensors through plasma bonding. We investigated the mechanical and electrical properties of the contacts proposed under relevant ranges of mechanical stress for applications in physiological monitoring and rehabilitation. We also produced a series of proof-of-concept devices, including a wearable respiration monitor, leg band for exercise monitoring and Squeeze-ball for monitoring rehabilitation of patients with hand injuries or neurological disorders, to demonstrate the mechanical robustness and versatility of the technology developed, in real-world applications

    Stretchis: Fabricating Highly Stretchable User Interfaces

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    International audienceRecent advances in materials science research have enabled the production of highly stretchable sensors and displays. However, such technologies are not yet accessible to non-expert makers. We present a novel and inexpensive fabrication method for creating Stretchis, highly stretchable user interfaces that combine sensing capabilities and visual output. We use Polydimethylsiloxan (PDMS) as the base material for a Stretchi and show how to embed stretchable touch and proximity sensors and stretchable electroluminescent displays. Stretchis can be ultra-thin, flexible, and fully customizable, enabling non-expert makers to add interaction to elastic physical objects, shape-changing surfaces, fabrics, and the human body. We demonstrate the usefulness of our approach with three application examples that include ubiquitous computing, wearables and on-skin interaction

    Synergistic effects of hybrid conductive nanofillers on the performance of 3D printed highly elastic strain sensors

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    In this work, thermoplastic polyurethane based conductive polymer composites containing carbon nanotubes (CNTs) and synthesized silver nanoparticles (AgNPs) were used to fabricate highly elastic strain sensors via fused deposition modeling. The printability of the materials was improved with the introduction of the nanofillers, and the size and content of the AgNPs significantly influenced the sensing performance of the 3D printed sensors. When the CNTs:AgNPs weight ratio was 5:1, the sensors exhibited outstanding performance with high sensitivity (GF = 43260 at 250% strain), high linearity (R 2 = 0.97 within 50% strain), fast response (~57 ms), and excellent repeatability (1000 cycles) due to synergistic effects. A modeling study based on the Simmons' tunneling theory was also undertaken to analyze the sensing mechanism. The sensor was applied to monitor diverse joint movements and facial motion, showing its potential for application in intelligent robots, prosthetics, and wear-able devices where customizability are usually demanded

    From wearable towards epidermal computing : soft wearable devices for rich interaction on the skin

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    Human skin provides a large, always available, and easy to access real-estate for interaction. Recent advances in new materials, electronics, and human-computer interaction have led to the emergence of electronic devices that reside directly on the user's skin. These conformal devices, referred to as Epidermal Devices, have mechanical properties compatible with human skin: they are very thin, often thinner than human hair; they elastically deform when the body is moving, and stretch with the user's skin. Firstly, this thesis provides a conceptual understanding of Epidermal Devices in the HCI literature. We compare and contrast them with other technical approaches that enable novel on-skin interactions. Then, through a multi-disciplinary analysis of Epidermal Devices, we identify the design goals and challenges that need to be addressed for advancing this emerging research area in HCI. Following this, our fundamental empirical research investigated how epidermal devices of different rigidity levels affect passive and active tactile perception. Generally, a correlation was found between the device rigidity and tactile sensitivity thresholds as well as roughness discrimination ability. Based on these findings, we derive design recommendations for realizing epidermal devices. Secondly, this thesis contributes novel Epidermal Devices that enable rich on-body interaction. SkinMarks contributes to the fabrication and design of novel Epidermal Devices that are highly skin-conformal and enable touch, squeeze, and bend sensing with co-located visual output. These devices can be deployed on highly challenging body locations, enabling novel interaction techniques and expanding the design space of on-body interaction. Multi-Touch Skin enables high-resolution multi-touch input on the body. We present the first non-rectangular and high-resolution multi-touch sensor overlays for use on skin and introduce a design tool that generates such sensors in custom shapes and sizes. Empirical results from two technical evaluations confirm that the sensor achieves a high signal-to-noise ratio on the body under various grounding conditions and has a high spatial accuracy even when subjected to strong deformations. Thirdly, Epidermal Devices are in contact with the skin, they offer opportunities for sensing rich physiological signals from the body. To leverage this unique property, this thesis presents rapid fabrication and computational design techniques for realizing Multi-Modal Epidermal Devices that can measure multiple physiological signals from the human body. Devices fabricated through these techniques can measure ECG (Electrocardiogram), EMG (Electromyogram), and EDA (Electro-Dermal Activity). We also contribute a computational design and optimization method based on underlying human anatomical models to create optimized device designs that provide an optimal trade-off between physiological signal acquisition capability and device size. The graphical tool allows for easily specifying design preferences and to visually analyze the generated designs in real-time, enabling designer-in-the-loop optimization. Experimental results show high quantitative agreement between the prediction of the optimizer and experimentally collected physiological data. Finally, taking a multi-disciplinary perspective, we outline the roadmap for future research in this area by highlighting the next important steps, opportunities, and challenges. Taken together, this thesis contributes towards a holistic understanding of Epidermal Devices}: it provides an empirical and conceptual understanding as well as technical insights through contributions in DIY (Do-It-Yourself), rapid fabrication, and computational design techniques.Die menschliche Haut bietet eine große, stets verfügbare und leicht zugängliche Fläche für Interaktion. Jüngste Fortschritte in den Bereichen Materialwissenschaft, Elektronik und Mensch-Computer-Interaktion (Human-Computer-Interaction, HCI) [so that you can later use the Englisch abbreviation] haben zur Entwicklung elektronischer Geräte geführt, die sich direkt auf der Haut des Benutzers befinden. Diese sogenannten Epidermisgeräte haben mechanische Eigenschaften, die mit der menschlichen Haut kompatibel sind: Sie sind sehr dünn, oft dünner als ein menschliches Haar; sie verformen sich elastisch, wenn sich der Körper bewegt, und dehnen sich mit der Haut des Benutzers. Diese Thesis bietet, erstens, ein konzeptionelles Verständnis von Epidermisgeräten in der HCI-Literatur. Wir vergleichen sie mit anderen technischen Ansätzen, die neuartige Interaktionen auf der Haut ermöglichen. Dann identifizieren wir durch eine multidisziplinäre Analyse von Epidermisgeräten die Designziele und Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um diesen aufstrebenden Forschungsbereich voranzubringen. Im Anschluss daran untersuchten wir in unserer empirischen Grundlagenforschung, wie epidermale Geräte unterschiedlicher Steifigkeit die passive und aktive taktile Wahrnehmung beeinflussen. Im Allgemeinen wurde eine Korrelation zwischen der Steifigkeit des Geräts und den taktilen Empfindlichkeitsschwellen sowie der Fähigkeit zur Rauheitsunterscheidung festgestellt. Basierend auf diesen Ergebnissen leiten wir Designempfehlungen für die Realisierung epidermaler Geräte ab. Zweitens trägt diese Thesis zu neuartigen Epidermisgeräten bei, die eine reichhaltige Interaktion am Körper ermöglichen. SkinMarks trägt zur Herstellung und zum Design neuartiger Epidermisgeräte bei, die hochgradig an die Haut angepasst sind und Berührungs-, Quetsch- und Biegesensoren mit gleichzeitiger visueller Ausgabe ermöglichen. Diese Geräte können an sehr schwierigen Körperstellen eingesetzt werden, ermöglichen neuartige Interaktionstechniken und erweitern den Designraum für die Interaktion am Körper. Multi-Touch Skin ermöglicht hochauflösende Multi-Touch-Eingaben am Körper. Wir präsentieren die ersten nicht-rechteckigen und hochauflösenden Multi-Touch-Sensor-Overlays zur Verwendung auf der Haut und stellen ein Design-Tool vor, das solche Sensoren in benutzerdefinierten Formen und Größen erzeugt. Empirische Ergebnisse aus zwei technischen Evaluierungen bestätigen, dass der Sensor auf dem Körper unter verschiedenen Bedingungen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht und eine hohe räumliche Auflösung aufweist, selbst wenn er starken Verformungen ausgesetzt ist. Drittens, da Epidermisgeräte in Kontakt mit der Haut stehen, bieten sie die Möglichkeit, reichhaltige physiologische Signale des Körpers zu erfassen. Um diese einzigartige Eigenschaft zu nutzen, werden in dieser Arbeit Techniken zur schnellen Herstellung und zum computergestützten Design von multimodalen Epidermisgeräten vorgestellt, die mehrere physiologische Signale des menschlichen Körpers messen können. Die mit diesen Techniken hergestellten Geräte können EKG (Elektrokardiogramm), EMG (Elektromyogramm) und EDA (elektrodermale Aktivität) messen. Darüber hinaus stellen wir eine computergestützte Design- und Optimierungsmethode vor, die auf den zugrunde liegenden anatomischen Modellen des Menschen basiert, um optimierte Gerätedesigns zu erstellen. Diese Designs bieten einen optimalen Kompromiss zwischen der Fähigkeit zur Erfassung physiologischer Signale und der Größe des Geräts. Das grafische Tool ermöglicht die einfache Festlegung von Designpräferenzen und die visuelle Analyse der generierten Designs in Echtzeit, was eine Optimierung durch den Designer im laufenden Betrieb ermöglicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen eine hohe quantitative Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen des Optimierers und den experimentell erfassten physiologischen Daten. Schließlich skizzieren wir aus einer multidisziplinären Perspektive einen Fahrplan für zukünftige Forschung in diesem Bereich, indem wir die nächsten wichtigen Schritte, Möglichkeiten und Herausforderungen hervorheben. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem ganzheitlichen Verständnis von Epidermisgeräten bei: Sie liefert ein empirisches und konzeptionelles Verständnis sowie technische Einblicke durch Beiträge zu DIY (Do-It-Yourself), schneller Fertigung und computergestützten Entwurfstechniken

    SOFT , MULTILAYERED ELECTRONICS FOR WEARABLE DEVICES AND METHODS TO PRODUCE THE SAME

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    Disclosed herein is an efficient fabrication approach to create highly customizable wearable electronics through rapid laser machining and adhesion - controlled soft materials assembly . Well - aligned , multi - layered materials can be created from 2D and 3D elements that stretch and bend while seamlessly integrating with rigid components such as micro chip integrated circuits ( IC ) , discrete electrical components , and interconnects . These techniques are applied using commercially available materials . These materials and methods enable custom wearable electronics while offering versatility in design and functionality for a variety of bio - monitor ing applications

    Electrospun Bundled Carbon Nanofibers for Skin-Inspired Tactile Sensing, Proprioception and Gesture Tracking Applications

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    Abstract In this work, we report a class of wearable, stitchable, and sensitive carbon nanofiber (CNF)-polydimethylsiloxane (PDMS) composite-based piezoresistive sensors realized by carbonizing electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofibers and subsequently embedding in PDMS elastomeric thin films. Electro-mechanical tactile sensing characterization of the resulting piezoresistive strain sensors revealed a linear response with an average force sensitivity of ~1.82 kN−1 for normal forces up to 20 N. The real-time functionality of the CNF-PDMS composite sensors in wearable body sensor networks and advanced bionic skin applications was demonstrated through human motion and gesture monitoring experiments. A skin-inspired artificial soft sensor capable of demonstrating proprioceptive and tactile sensory perception utilizing CNF bundles has been shown. Furthermore, a 16-point pressure-sensitive flexible sensor array mimicking slow adapting low threshold mechanoreceptors of glabrous skin was demonstrated. Such devices in tandem with neuromorphic circuits can potentially recreate the sense of touch in robotic arms and restore somatosensory perception in amputees
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