3D-prints maken contact met wifi – zónder elektronica (video)

Onderzoekers van de Universiteit van Washington zijn er als eersten in geslaagd om meters en sensoren te 3D-printen die gegevens kunnen verzamelen en geheel zelfstandig kunnen communiceren met andere WiFi-verbonden apparaten.

Met CAD-modellen die het team publiek beschikbaar stelt, kan iedereen nu objecten 3D-printen van commercieel verkrijgbare kunststoffen die draadloos kunnen communiceren met andere slimme apparaten. Denk aan batterijvrije schuiven die je muziekvolume regelen, een knop die automatisch meer cornflakes bestelt, of een watersensor die een alarm naar je telefoon stuurt als hij een lek detecteert.

"Wij wilden iets maken dat je thuis kunt 3D-printen en dat nuttige informatie naar andere apparaten verzendt," zegt co-lead auteur Vikram Iyer van de paper ‘3D Printing Wireless Connected Objects’. "De grote uitdaging was: hoe communiceer je draadloos met wifi met alleen plastic? Dat was nog niemand gelukt."

Het team gebruikte backscattertechnieken (weerkaatsing) waarmee apparaten informatie kunnen uitwisselen. Zo konden ze functies die normaal worden uitgevoerd door elektrische componenten vervangen door mechanische beweging. Die wordt geactiveerd door veren, tandwielen, schakelaars en andere delen die je kan 3D-printen – geïnspireerd op de werking van batterijloze horloges.

Backscatter-systemen gebruiken een antenne om data te verzenden door radiosignalen te reflecteren van een WiFi-router of ander apparaat. Informatie ingebed in die gereflecteerde patronen kan worden gedecodeerd door een WiFi-ontvanger. In dit geval bevindt de antenne zich in een 3D-geprint object gemaakt van geleidend printfilament dat bestaat uit plastic met koper.

Een fysieke beweging – bijvoorbeeld op een knop drukken, of wasmiddel dat uit een fles stroomt – activeert tandwielen en veren elders in het 3D-geprinte object die ervoor zorgen dat een geleidende schakelaar afwisselend wel een geen contact heeft met de antenne, waardoor de reflecterende staat verandert.
Informatie – in de vorm van enen en nullen – wordt gecodeerd door de aan- of afwezigheid van de tand op een tandwiel. Energie van een spiraalveer drijft het tandwielsysteem aan, en de breedte en het patroon van tandwieltanden bepalen hoe lang de backscatter-schakelaar contact maakt met de antenne. Zo worden patronen van gereflecteerde signalen gecreëerd die een WiFi-ontvanger kan decoderen.

"Als je bijvoorbeeld wasmiddel uit de fles giet, vertelt de snelheid waarmee de tandwielen draaien hoeveel zeep er uit stroomt. Door de interactie tussen de 3D-geprinte schakelaar en de antenne worden die gegevens draadloos verzonden", zegt senior auteur Shyam Gollakota, van de Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. "Vervolgens houdt de ontvanger bij hoeveel wasmiddel je nog hebt. En als het te weinig wordt, kan hij automatisch een bericht sturen om meer te bestellen."

Het team heeft verschillende hulpmiddelen geprint die informatie met succes detecteerden en naar andere verbonden apparaten verzonden: een windmeter, een waterstroommeter en een schaal. Ze drukten ook een flowmeter af die werd gebruikt om wasmiddel te volgen en te bestellen, en een reageerbuishouder die kan worden gebruikt om de inventaris te beheren, of te meten hoeveel vloeistof er in elke reageerbuis zit. Ze hebben ook WiFi-invoerwidgets ge-3D-print, zoals knoppen en schuiven.

Tot slot heeft het team de magnetische eigenschappen van een 3D-printfilament dat bestaat uit plastic met ijzer gebruikt om onzichtbaar informatie in 3D-geprinte objecten te coderen. Die informatie kan variëren van barcode-identificatie tot informatie die een robot vertelt hoe hij met het object om moet gaan.

"Het ziet eruit als een normaal 3D-gedrukt object, maar er zit onzichtbare informatie in die kan worden gelezen met uw smartphone", besluit doctorandus en co-hoofdauteur Justin Chan van Allen School.