HairIO: Haare als interaktives Material – wikiHow

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

HairIO: Menschliches Haar als interaktives Material

Haar ist ein einzigartiges und wenig erforschtes Material für neue tragbare Technologien. Seine lange Geschichte des kulturellen und individuellen Ausdrucks macht es zu einem fruchtbaren Ort für neue Interaktionen. In diesem Instructable zeigen wir Ihnen, wie Sie interaktive Haarverlängerungen herstellen, die Form und Farbe ändern, Berührungen wahrnehmen und über Bluetooth kommunizieren. Wir verwenden eine benutzerdefinierte Schaltung, einen Arduino Nano, ein Adafruit-Bluetooth-Board, eine Formgedächtnislegierung und thermochrome Pigmente.

Dieses Instructable wurde von Sarah Sterman, Molly Nicholas und Christine Dierk erstellt und dokumentiert die Arbeit im Hybrid Ecologies Lab an der UC Berkeley mit Eric Paulos. Eine Analyse dieser Technologie und eine vollständige Studie finden Sie in unserem auf der TEI 2018 vorgestellten Papier. In diesem Instructable finden Sie eine umfassende Hardware-, Software- und Elektronikdokumentation sowie Informationen zu den von uns getroffenen Designentscheidungen und den Kämpfen, mit denen wir konfrontiert waren.

Wir beginnen mit einer kurzen Systemübersicht und Beispielen für die Verwendung von HairIO. Als nächstes besprechen wir die damit verbundene Elektronik, gehen dann zur Hardware über und erstellen die Haarverlängerungen. In den letzten Abschnitten werden der Code und einige Tipps zum Vornehmen von Änderungen behandelt.

Links zu bestimmten Ressourcen werden in jedem Abschnitt bereitgestellt und auch am Ende gesammelt.

Viel Spaß beim Machen!

Schritt 1: Wie funktioniert es?

Überblick

Das HairIO-System arbeitet nach zwei Grundprinzipien: kapazitive Berührung und Widerstandsheizung. Durch das Erfassen von Berührungen können wir die Haarverlängerung dazu bringen, auf Berührungen zu reagieren. Und durch Erhitzen der Verlängerung können wir mit thermochromen Pigmenten eine Farbänderung und mit einer Formgedächtnislegierung eine Formänderung bewirken. Ein Bluetooth-Chip ermöglicht es Geräten wie Telefonen und Laptops, ebenfalls mit dem Haar zu kommunizieren, um entweder eine Form- oder Farbänderung zu bewirken oder ein Signal zu empfangen, wenn eine Berührung des Haares wahrgenommen wird.

Beispielinteraktionen und Verwendungen

HairIO ist eine Forschungsplattform, was bedeutet, dass wir gerne sehen würden, was Sie damit machen! Einige von uns entworfene Interaktionen werden in den obigen Videos oder in unserem vollständigen Video auf Youtube gezeigt.

Ein formverändernder Zopf kann den Träger über eine Textnachricht informieren, indem er das Ohr des Trägers sanft kitzelt, während es sich bewegt.

Oder vielleicht kann es dem Träger Anweisungen geben und sich in das Sichtfeld bewegen, um anzuzeigen, in welche Richtung er sich wenden soll.

Das Haar kann sich dramatisch verändern, für Stil oder Leistung. Der Stil kann sich im Laufe des Tages verändern oder für ein bestimmtes Ereignis aktualisiert werden.

Das Haar kann auch soziale Interaktionen ermöglichen; Stellen Sie sich vor, Sie würden das vergrößerte Haar eines Freundes flechten und dann die Haarfarbe des Freundes ändern, indem Sie Ihren eigenen Zopf aus der Ferne berühren.

Komponenten

Die gesamte Erfassung, Logik und Steuerung wird von einer benutzerdefinierten Schaltung und dem Arduino Nano übernommen, der am Kopf getragen wird. Diese Schaltung hat zwei Hauptkomponenten: eine kapazitive Berührungserfassungsschaltung und eine Treiberschaltung zum Schalten von Strom zum Geflecht. Eine handelsübliche Haarverlängerung wird um einen Nitinoldraht geflochten, der eine Formgedächtnislegierung ist. Dieser Draht behält beim Abkühlen eine Form und geht beim Erhitzen in eine zweite Form über. Wir können fast jede zweite Form in den Draht ausbilden (später in diesem Instructable beschrieben). Zwei LiPo-Akkus versorgen den Steuerkreis mit 5 V und das Haar mit 3,7 V.

Schritt 2: Elektronik

Steuerung und kapazitive Berührung

Die kapazitive Berührungsschaltung wird von Disneys Touché-Projekt über dieses wunderbare Instructable zum Replizieren von Touche auf Arduino angepasst. Dieses Setup unterstützt die kapazitive Berührungserkennung mit Wobbelfrequenz und ermöglicht eine komplexere Gestenerkennung als einfache Berührung/keine Berührung. Eine Anmerkung hier ist, dass die kapazitive Berührungsschaltung und der Code einen bestimmten Arduino-Chip annehmen, den Atmega328P. Wenn Sie sich für die Verwendung eines anderen Mikrocontroller-Chips entscheiden, müssen Sie möglicherweise den Code neu entwerfen oder einen alternativen Erkennungsmechanismus finden.

Die Steuerschaltung verwendet einen Arduino Nano für die Logik und einen analogen Multiplexer, um die sequentielle Steuerung mehrerer Zöpfe aus derselben Schaltung und denselben Batterien zu ermöglichen. Die kapazitive Berührung wird fast gleichzeitig wahrgenommen, indem schnell zwischen den Kanälen gewechselt wird (so schnell, dass es im Grunde so ist, als würden wir beide gleichzeitig wahrnehmen). Die Betätigung der Geflechte ist durch die verfügbare Leistung begrenzt. Das Einschließen leistungsstärkerer oder zusätzlicher Batterien könnte eine gleichzeitige Betätigung ermöglichen, jedoch beschränken wir sie hier der Einfachheit halber auf sequentielle Betätigung. Der mitgelieferte Schaltplan kann zwei Zöpfe steuern (aber der Multiplexer in der Schaltung kann bis zu vier unterstützen!).

Lassen Sie für die einfachste Version der Schaltung den Multiplexer weg und steuern Sie ein einzelnes Geflecht direkt vom Arduino.

Antriebsschaltung und Thermistor

Wir führen kapazitive Berührungen auf demselben Draht wie die Betätigung durch (das Nitinol). Dies bedeutet weniger Drähte/Komplexität im Geflecht und mehr im Stromkreis.

Die Ansteuerschaltung besteht aus einem Satz von Bipolar-Junction-Transistoren (BJTs), um die Haarbetätigung ein- und auszuschalten. Es ist wichtig, dass es sich um Bipolartransistoren und nicht um die üblicheren (und im Allgemeinen besseren) MOSFETs handelt, da BJTs keine interne Kapazität aufweisen. Die interne Kapazität eines MOSFET überfordert die Berührungssensorschaltung.

Außerdem müssen wir wegen der kapazitiven Berührungserfassung sowohl Masse als auch Strom und nicht nur Strom schalten, da es kein kapazitives Signal von einer geerdeten Elektrode gibt.

Ein alternatives Design, das separate Quellen für kapazitive Berührung und Ansteuerung verwendet, kann diese Schaltung stark vereinfachen, macht jedoch das mechanische Design komplizierter. Wenn die kapazitive Erfassung von der Stromversorgung für den Antrieb isoliert ist, können wir mit einem einzigen Schalter für die Stromversorgung auskommen, und es kann ein FET oder etwas anderes sein. Solche Lösungen könnten das Metallisieren des Haares selbst umfassen, wie in Katia Vegas Hairware.

Bluetooth-Chip

Der von uns verwendete Bluetooth-Chip ist der Bluefruit Friend von Adafruit. Dieses Modul ist eigenständig und muss nur an den Arduino angeschlossen werden, der die Logik rund um die Kommunikation übernimmt.

Batterieauswahl

Für Batterien benötigen Sie wiederaufladbare Batterien, die genug Spannung liefern können, um das Arduino mit Strom zu versorgen, und genug Strom, um das Nitinol anzutreiben. Diese müssen nicht die gleiche Batterie sein. Tatsächlich haben wir alle unsere ersten Prototypen mit zwei Batterien hergestellt, um zu vermeiden, dass der Arduino braun wird: eine für die Steuerung und eine für den Antrieb.

Der Arduino Nano benötigt mindestens 5V und das Nitinol zieht maximal ca. 2 Ampere.

Wir haben uns für eine 3,7-V-Batterie von ValueHobby zum Antreiben der Haare und eine 7,4V-Batterie von ValueHobby zur Stromversorgung des Arduino entschieden. Versuchen Sie, keine normalen 9-V-Batterien zu verwenden. sie werden innerhalb von 15 Minuten unter die Nützlichkeit fallen und eine Menge Abfall verursachen. (Wir wissen, weil wir es versucht haben…)

Sonstige Angaben

Batterieüberwachung: Über einen 4,7k Ohm Widerstand zwischen der Stromleitung des Fahrakkus und einem analogen Pin können wir den Ladezustand des Fahrakkus überwachen. Sie benötigen diesen Widerstand, um zu verhindern, dass die Batterie den Arduino über den analogen Pin einschaltet (was schlecht wäre: Sie möchten dies nicht tun). Die Arduino-Batterie kann nur mit Code überwacht werden - siehe den Abschnitt über Software, um dies zu demonstrieren.

Jumper: Zwischen den beiden Akkuanschlüssen ist Platz für einen Jumper, wenn Sie einen einzigen Akku verwenden möchten, um alles mit Strom zu versorgen. Dadurch besteht die Gefahr, dass der Arduino braun wird, aber mit der richtigen Batterieauswahl und einer softwarebasierten PWM des Laufwerks sollte es funktionieren. (Obwohl wir es noch nicht geschafft haben.) (Wenn Sie es versuchen - lassen Sie uns wissen, wie es läuft!)

Schritt 3: Elektronikmontage

Zusammenbau der Schaltung

Wir haben die Schaltung ursprünglich in zwei Teilen entworfen und die Antriebs- und Steuerkreise mit einem flexiblen Kabel verbunden. In unserer integrierten PCB-Version sind die Schaltkreise auf einer einzigen Platine zusammengefasst. Das erstere Schema ermöglicht eine flexiblere Platzierung von Zöpfen auf dem Kopf, das zweite ist jedoch viel einfacher zu montieren. Die Schaltplan- und Layoutdateien der Platine finden Sie in unserem Github-Repository. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Schaltungen herzustellen: 1) Erstellen Sie eine Perf-Board-Version mit Durchgangslochkomponenten gemäß dem Schaltplan oder 2) stellen Sie die Leiterplatte aus der von uns bereitgestellten Platinendatei (Link oben) her und bestücken Sie sie mit SMD-Komponenten.

Komponenten

Die Stückliste für die PCB-Version + Geflechte ist hier.

Wir haben unsere Testplatinen selbst auf einer Othermill gefräst und dann unsere finalen Platinen bei den ausgezeichneten Bay Area Circuits bestellt. Sowohl die interne als auch die professionelle Leiterplattenherstellung funktionieren gut, obwohl das manuelle Plattieren oder Löten aller Vias mühsam ist.

Tipps

• Wir verwendeten Lotpaste und einen Reflow-Ofen oder eine Heizplatte für die oberflächenmontierten Komponenten und löteten die Durchgangslochkomponenten anschließend von Hand.
• Wir empfehlen die Breadboard-/Perfboard-Version für schnelles Prototyping und die PCB für Zuverlässigkeit.
• Wir verwenden kurze Buchsenleisten, um den Nano auf der Platine zu halten, damit er abnehmbar ist. Lange Buchsenleisten können nicht ganz bündig an die Platine gelötet werden, um den Bluetooth-Chip hoch genug anzuheben, um über dem Arduino zu verschachteln. (Sie sollten auch Kaptonband hinzufügen, um versehentliche Kurzschlüsse zu vermeiden).
• Der Bluetooth-Chip muss tatsächlich verkehrt herum an seine Stiftleisten gelötet werden, um der Pin-Reihenfolge auf dem PCB-Layout zu entsprechen. (Natürlich können Sie dieses Layout ändern.) Warum haben wir das gemacht? Weil die Pins dadurch besser zum Arduino-Layout passen.

Schritt 4: Überblick über die Haarhardware

HairIO ist eine Haarverlängerung, die um zwei verbundene Drahtstücke geflochten ist und an einem Stecker und einem Thermistor zur Temperaturregulierung befestigt ist. Es kann nach vollständiger Montage mit thermochromen Pigmenten gekreidet werden. Die Herstellung eines HairIO-Geflechts selbst besteht aus mehreren Schritten:

1) Trainieren Sie die Formgedächtnislegierung auf die gewünschte Form.

2) Montieren Sie den internen Draht durch Crimpen und Löten eines Stücks Formgedächtnislegierung an einen isolierten Kupferdraht.

3) Crimpen und isolieren Sie einen Thermistor.

4) Schließen Sie das Kabel und den Thermistor an einen Stecker an.

5) Flechten Sie Haare um den Draht.

6) Kreide das Haar.

Wir werden in den folgenden Abschnitten auf jede der Phasen im Detail eingehen.

Schritt 5: Zusammenbau der Haardrähte

Die ersten Schritte beinhalten das Zusammenbauen der internen Drähte, die eine Formänderung und Widerstandsheizung bewirken. Hier bestimmen Sie die Länge des Geflechts, die gewünschte Form beim Erhitzen und die Art des Steckers, den Sie verwenden. Wenn alle Zöpfe einen gemeinsamen Steckertyp haben, können sie für verschiedene Form- und Farbansteuerungen sowie Haartypen und -längen problemlos auf derselben Platine ausgetauscht werden.

Wenn Sie keine Formänderung in einem bestimmten Geflecht wünschen, kann die Formgedächtnislegierung durch ein normales Stück Draht ersetzt werden. Wenn Sie kapazitive Berührungen unterstützen möchten, sollte der Ersatzdraht für die beste Wirkung nicht isoliert sein.

Training der Formgedächtnislegierung

Als Formgedächtnislegierung verwenden wir hier Nitinol, eine Nickel-Titan-Legierung. Wenn es abgekühlt ist, bleibt es in einer Form, aber wenn es erhitzt wird, kehrt es in den sogenannten "trainierten" Zustand zurück. Wenn wir also einen Zopf wollen, der sich beim Erhitzen kräuselt, könnte er im kühlen Zustand gerade sein, aber zu einer Locke trainiert werden. Sie können fast jede gewünschte Form erstellen, obwohl die Fähigkeit des Drahtes, Gewicht zu heben, durch seinen Durchmesser begrenzt ist.

Schneiden Sie das Nitinol auf die gewünschte Länge des Geflechts zu und lassen Sie etwas mehr für die Rundungen beim Flechten und für die Verbindungen oben und unten.

Um Nitinol zu trainieren, sehen Sie sich dieses fantastische Instructable an.

Zu den Zopftypen, mit denen wir experimentiert haben, gehören Locken, rechtwinklige Biegungen, damit das Haar gerade stehen kann, und das Nitinol wird überhaupt nicht trainiert. Das mag faul klingen, aber es ermöglicht dem Haar, sich bei Betätigung aus jeder Form zu glätten. Der Draht behält eine Form, in die Sie ihn biegen, wenn er abgekühlt ist, z. eine Locke und glätten Sie sie dann beim Erhitzen aus dieser Form. Super cool und viel einfacher!

Montage der Drähte

Das Nitinol ist nicht isoliert und läuft nur in eine Richtung. Um einen kompletten Stromkreis zu erstellen, benötigen wir einen zweiten, isolierten Draht, der unten angeschlossen und zum Anschluss oben zurückgeführt wird. (Ein nicht isolierter Draht verursacht einen Kurzschluss, wenn er das Nitinol berührt, und verhindert eine gleichmäßige Erwärmung.)

Schneiden Sie ein Stück isolierten Kupferdraht auf die gleiche Länge wie das Nitinol. Wir haben 30 AWG Magnetdraht verwendet. Entfernen Sie die Isolierung an beiden Enden. Bei Magnetdraht kann die Beschichtung entfernt werden, indem der Draht vorsichtig mit einer offenen Flamme verbrannt wird, bis die Isolierung verkohlt und weggewischt werden kann (das dauert etwa 15 Sekunden mit einem Feuerzeug). Beachten Sie, dass der Draht dadurch an der verbrannten Stelle leicht brüchig wird.

Wissenswertes über Nitinol: Leider haftet Lot nicht gerne an Nitinol. (Es ist ein großer Schmerz.) Die beste Lösung besteht darin, einen Crimp zu verwenden, um eine mechanische Verbindung zum Nitinol herzustellen, und dann Lötmittel hinzuzufügen, um eine elektrische Verbindung zu gewährleisten.

Halten Sie das Ende des Nitinols und den neu nicht isolierten Kupferdraht zusammen und führen Sie ihn in einen Crimp ein. Crimp sie fest zusammen. Wenn zusätzliche Verbindungsstärke benötigt wird, fügen Sie ein kleines bisschen Lot hinzu. Bedecken Sie die Quetschung und alle verbleibenden Drahtenden mit Schrumpfschlauch, damit sich Ihr Träger nicht an den spitzen Enden stößt. Es spielt keine Rolle, welche Art von Crimp Sie unten verwenden, da es sich lediglich um eine mechanische Verbindung zwischen den beiden Drähten handelt.

Am anderen Ende fügen wir jeder Drahtspitze einen Crimp hinzu. Hier kommt es auf die Art der Crimpung an. Sie müssen den passenden Crimp für Ihren Steckverbinder verwenden. Diese Enden der Drähte werden an dem Verbinder befestigt, um eine Schnittstelle mit der Leiterplatte zu bilden.

Einen Stand-Up-Zopf herstellen:

Die Zöpfe können sehr subtil oder sehr dramatisch sein. Wenn Sie einen dramatischen Effekt wünschen, wie im Kopfschmuckbild oben, oder im performativen Situationsvideo früher, ist ein zusätzlicher Schritt erforderlich. Die Zöpfe ziehen es vor, sich zu drehen, anstatt sie anzuheben, daher müssen sie verspannt werden, um in der richtigen Ausrichtung zu bleiben. Unsere Orthese hat die Form eines gestreckten Z (siehe Bild). Wir zogen einen Crimp auf das Nitinol, löteten dann die Klammer an den Crimp und bedeckten das Ganze schließlich mit Schrumpfschlauch und Isolierband.

Vorbereitung des Thermistors

Der Thermistor ist ein wärmeempfindlicher Widerstand, mit dem wir die Temperatur des Geflechts messen können. Wir verwenden dies, um sicherzustellen, dass das Geflecht für den Benutzer nie zu heiß wird. Wir fügen den Thermistor dem gleichen Anschluss hinzu, an dem das Geflecht befestigt wird.

Schieben Sie zuerst Schrumpfschlauch auf die Beine des Thermistors und verwenden Sie eine Heißluftpistole, um ihn zu schrumpfen. Dadurch werden die Beine isoliert, um einen Kurzschluss des Thermistors mit dem nicht isolierten Nitinol zu verhindern. Lassen Sie am Ende ein wenig Draht zum Crimpen frei. Auch hier müssen diese Crimps für Ihren Steckverbinder geeignet sein.

Crimpen Sie die Enden des Thermistors. Bringen Sie, wenn möglich, ein wenig Schrumpfschlauch als Zugentlastung in die ersten Zähne des Crimps. Legen Sie es jedoch nicht zu hoch, da die Drähte für eine gute elektrische Verbindung noch verbunden sein müssen.

Jetzt kann der Thermistor an den Stecker angeschlossen werden.

Zusammenbau des Steckverbinders

Sie können jede Art von 4-poligem Stecker am oberen Ende des Geflechts verwenden; nach einigem experimentieren haben wir uns für Molex Nanofit Steckverbinder entschieden. (Dies ist, was unsere Leiterplatte verwendet.) Sie haben ein niedriges Profil auf der Leiterplatte, eine solide mechanische Verbindung mit einem Clip, um sie zu verriegeln, sind aber dennoch leicht einzusetzen und zu entfernen.

Die Nanofit-Konnektoren gehen in drei Stufen zusammen:

Stecken Sie zuerst die beiden gecrimpten Enden des Thermistors in die beiden mittleren Buchsen auf der männlichen Hälfte des Steckers.

Als nächstes stecken Sie die beiden gecrimpten oberen Enden des Geflechtdrahts in die am weitesten links und rechts befindlichen Buchsen auf der männlichen Hälfte des Steckers.

Sobald diese angebracht sind, setzen Sie die Halterung in die Aufnahmen ein. Dies hilft, die Crimps an Ort und Stelle zu halten, damit das Geflecht nicht vom Stecker abgezogen wird.

Die weibliche Hälfte des Steckverbinders befindet sich auf der Platine und verbindet die Haarklemmen mit der Antriebsschaltung und der kapazitiven Berührungsschaltung und die Thermistorklemmen mit dem Arduino zur Temperaturmessung.

Bereit zu gehen

Nun kann der Draht geflochten werden.

Schritt 6: Flechten und Kreiden

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Haarverlängerung um die inneren Drähte zu flechten. Für die kapazitive Berührungserkennung müssen einige Drähte freigelegt werden. Um jedoch ein völlig natürlich aussehendes Geflecht zu erhalten und die Technologie zu verbergen, kann der Draht vollständig innen geflochten werden. Diese Art von Geflecht kann keine effektive Berührungserkennung durchführen, kann aber dennoch mit dramatischen Farb- und Formänderungen ausgelöst werden.

Braid Style 1: 4-String für kapazitiven Touch

Dieses Geflecht-Tutorial zeigt Ihnen, wie Sie das 4-Strang-Geflecht machen. Denken Sie daran, dass in Ihrem Fall einer der "Stränge" tatsächlich die Drähte sind! Schauen Sie sich die Bilder oben für unser Flecht-Setup an, das dem 4-Strang-Muster mit drei Haarsträhnen und einem Draht folgt.

Braid Style 2: Unsichtbare Drähte

In diesem Geflecht machst du ein dreisträngiges Geflecht (daran denken die meisten Leute, wenn sie an "ein Geflecht" denken), und du bündelst die Drähte einfach mit einer der Stränge. Hier ist ein großartiges Tutorial für ein dreisträngiges Geflecht.

Kreiden mit thermochromen Pigmenten

Soll ein Geflecht beim Betätigen die Farbe wechseln, muss es mit thermochromen Pigmenten angekreidet werden. Hängen Sie die Zöpfe zuerst an etwas über einem mit Plastik gedeckten Tisch (es wird etwas unordentlich). Beachten Sie die Sicherheitshinweise für Ihre thermochrome Tinte (ggf. Handschuhe tragen!). Tragen Sie auf jeden Fall eine Luftmaske - Sie möchten nie Feinstaub einatmen. Nehmen Sie nun einen Pinsel und schaufeln Sie etwas thermochromes Pulver auf Ihren Zopf, beginnend oben. "Malen" Sie das Geflecht vorsichtig und bürsten Sie das Pulver so weit wie möglich in das Geflecht. Sie werden etwas verlieren (aber wenn es auf Ihre Plastiktischdecke fällt, können Sie es für den nächsten Zopf retten). Sie können sich den Zeitraffer ansehen, den wir oben geteilt haben, um zu sehen, wie wir es gemacht haben!

Schritt 7: Tragen der Tech

Die Platinen und Batterien können an einem Stirnband oder einer Haarspange befestigt werden. Alternativ können die Zöpfe für einen subtileren Stil mit längeren Drähten an den Enden hergestellt werden. Diese Drähte können unter natürlichem Haar, Mützen, Schals oder anderen Merkmalen an eine andere Stelle am Körper geführt werden, beispielsweise unter einem Hemd oder einer Halskette. Auf diese Weise ist das Haar weniger sofort als tragbare Technologie wahrnehmbar.

Die Schaltung kann mit zusätzlichen Revisionen und integrierten Logik- und Bluetooth-Chips verkleinert werden. Solch ein kleinerer Stromkreis wäre leichter auf einer dekorativen Haarspange etc. zu verstecken, jedoch wird die Stromversorgung ein Problem bleiben, da die Batterien im Moment nur so klein werden. Natürlich könnte man es in die Wand stecken, aber dann kam man nicht weit.

Sie können im obigen Video einen super frühen Prototyp sehen, der getragen wird. (Weitere Bilder der endgültigen Anlagen werden nach einer öffentlichen Demo hinzugefügt.)

Gehege

In Kürze finden Sie in unserem Github-Repository ein 3D-druckbares Gehäuse für die Schaltung. Dies kann auf ein Haarband geschoben oder für andere Formfaktoren modifiziert werden.

Schritt 8: Software-Übersicht

In unserem Github-Repo finden Sie mehrere Arduino-Skizzen, die verschiedene Möglichkeiten zur Steuerung der Haare zeigen.

Skizze 1: demo_timing

Dies ist eine grundlegende Demo der Antriebsfunktionalität. Das Haar schaltet sich in einem festgelegten Zeitraum von Sekunden ein und aus und die Onboard-LED blinkt, wenn es eingeschaltet ist.

Skizze 2: demo_captouch

Dies ist eine Demo der kapazitiven Berührungserkennung. Wenn Sie das Haar berühren, wird die integrierte LED eingeschaltet. Möglicherweise müssen Sie die kapazitiven Berührungsschwellen je nach Umgebung und Schaltung anpassen.

Skizze 3: demo_pcb_bluetooth_with_drive_captouch

Eine integrierte Demo für Bluetooth-Kommunikation, kapazitive Berührungserkennung und Laufwerk. Laden Sie die Bluefruit LE Connect-App auf ein Smartphone herunter. Der Code sendet ein Bluetooth-Signal, wenn das Geflecht berührt wird, und druckt das Ergebnis an die App. Durch Drücken von Tasten auf dem Controller in der App wird die Betätigung der Zöpfe gestartet und gestoppt. Beachten Sie, dass die Pinbelegungen für unsere PCB-Version eingerichtet sind. Wenn Sie den INH-Pin des Multiplexers wie im PCB-Schema mit einem digitalen Pin verbunden haben, müssen Sie möglicherweise eine Zeile im Code hinzufügen, um diesen Pin auf Low zu treiben (wir haben ihn nur mit Masse kurzgeschlossen).

Dieser Code enthält auch eine Kalibrierungsmethode, die durch Senden eines "c"-Zeichens über die UART-Schnittstelle in der App ausgelöst wird.

Kapazitive Touch-Kalibrierung

Da die kapazitive Berührungserkennung empfindlich auf Umgebungsfaktoren wie Feuchtigkeit reagiert oder an einen Computer angeschlossen ist oder nicht, können Sie mit diesem Code einen geeigneten Schwellenwert für eine genaue kapazitive Berührungserkennung bestimmen. Ein Beispiel dafür finden Sie im Code demo_pcb_bluetooth_with_drive_captouch. Eine Anmerkung ist, dass sich die Kapazität auch mit Wärme ändert. Wir haben uns noch nicht mit dem Thema befasst, bei dem Wärme nach der Betätigung den Zustand "berührt" auslöst.

Batterieüberwachung

Beispiele für die Batterieüberwachung finden Sie in der Skizze demo_pcb_bluetooth_with_drive_captouch. Die Onboard-LED leuchtet auf, wenn der Ladezustand einer Batterie unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, unterscheidet jedoch nicht zwischen Steuerbatterie und Antriebsbatterie.

Temperaturverriegelung (Sicherheitsabschaltung)

Durch die Überwachung der Temperatur des Geflechts können wir den Strom abschalten, wenn es zu heiß wird. Diese Daten werden von dem in das Geflecht eingewebten Thermistor gesammelt. Ein Beispiel dafür finden Sie in der Skizze demo_pcb_bluetooth_with_drive_captouch.

Schritt 9: Laden und Ändern des Codes

Wir verwenden die Standard-Arduino-Umgebung, um Code für HairIO zu schreiben und auf die Boards hochzuladen.

Arduino Nanos kann aus verschiedenen Quellen bezogen werden; Wir haben diese gekauft, die zusätzliche Firmware benötigen, um mit der Arduino-Umgebung zu arbeiten. Sie können diese Anweisungen befolgen, um sie auf Ihrem Computer einzurichten. Wenn Sie einen Standard-Arduino Nano (dh diese) verwenden, müssen Sie diesen zusätzlichen Schritt nicht ausführen.

Stellen Sie beim Ändern des Codes sicher, dass Ihre Hardware-Pins mit Ihrer Schaltung übereinstimmen. Wenn Sie einen Pin ändern, stellen Sie sicher, dass Sie Ihr Board-Design und Ihren Code aktualisieren.

Es ist wichtig zu beachten, dass die von uns verwendete kapazitive Touch-Bibliothek von Illutron auf einem bestimmten Hardware-Chip (dem Atmega328p) basiert. Wenn Sie einen anderen Mikrocontroller verwenden möchten, stellen Sie sicher, dass dieser kompatibel ist, oder Sie müssen diesen Code ändern. (Wir wollten für dieses Projekt nicht in diesen Low-Level-Code einsteigen, daher schätzen wir die Arbeit von Illutron sehr. Die Synchronisierung mit dem Hardware-Timing kann ziemlich haarig werden!)

Schritt 10: Zukünftige Designs: Ideen und Richtlinien für Modifikationen

Wärmereaktion

Wenn Sie mehr über das Wärmeverhalten der Zöpfe wissen möchten, finden Sie in unserem Artikel mathematische Modelle der Haare. Die Hauptsache ist, dass die Farb- und Formänderung zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Reihenfolgen erfolgt, basierend auf der Menge des isolierenden Haares um den Draht und der zugeführten Energiemenge (die ändert, wie schnell es sich erwärmt)

Schaltungsverbesserungen:

• Wenn Sie das Bluetooth-Modul nach rechts verschieben, können Sie die Stapelhöhe möglicherweise verkürzen, da es nicht in den Arduino-USB-Anschluss läuft. Es gibt auch Arduino-Boards mit integrierten Bluetooth-Modulen (die meisten von ihnen haben jedoch einen anderen Chip, sodass deren Verwendung Codeänderungen erfordern würde).
• Die Grundrisse der Batterieanschlüsse können sich je nach den von Ihnen verwendeten Batterietypen ändern.
• Der Switch-Footprint ist generisch und sollte wahrscheinlich durch den Footprint dessen ersetzt werden, den Sie verwenden möchten.
• Möglicherweise möchten Sie in der Lage sein, die Treiberschaltung zu PWM zu steuern, um die Leistung durch das Geflecht zu steuern. dazu sollte der Treibersignal-Pin auf D3 oder einen anderen Hardware-PWM-Pin geschaltet werden.
• Wenn Sie die Multiplexer-Paarungen invertieren (z. B. Braid1 Drive und Braid2 Touch auf Kanal 0 und Braid2 Drive und Braid1 Touch auf Kanal 1, anstatt sowohl Touch als auch Drive für das gleiche Geflecht auf einem einzelnen Kanal zu verwenden), können Sie kapazitiv erfassen Berühren Sie ein Geflecht, während Sie das andere Geflecht fahren, anstatt daran gehindert zu werden, während der Fahrt überhaupt kapazitiv zu erfassen.

• Bei einigen Modifikationen kann eine Batterie sowohl die Logik als auch den Antrieb steuern. Mehrere Überlegungen umfassen:

  • Hochspannung (z. B. ein 7,4 LiPo-Akku) wird den Arduino durch die kapazitive Sensorschaltung und den digitalen Pin zurücktreiben. Das ist auf Dauer nicht gut für den Arduino. Dies könnte behoben werden, indem ein weiterer Transistor zwischen der kapazitiven Sensorschaltung und dem Haar eingefügt wird.
  • Zu viel Stromaufnahme durch die Haare kann das Arduino braun werden lassen. Dies kann durch PWM'ing des Ansteuersignals behoben werden.

Software-Verbesserungen

Die kapazitive Berührungserfassung mit Wobbelfrequenz kann verwendet werden, um viele Arten von Berührungen zu erkennen, z. ein oder zwei Finger, Kneifen, Drehen… Dies erfordert ein komplizierteres Klassifikationsschema als die grundlegende Schwellenwertbestimmung, die wir hier demonstrieren. Die Kapazität ändert sich mit der Temperatur. Eine Verbesserung des Berührungserkennungscodes, um dies zu berücksichtigen, wird die Erkennung zuverlässiger machen

Wenn Sie eine Version von HairIO erstellen, würden wir natürlich gerne davon hören

Schritt 11: Sicherheitshinweise

HairIO ist eine Forschungsplattform und nicht als kommerzielles Produkt oder Produkt für den täglichen Gebrauch gedacht. Beachten Sie bei der Herstellung und dem Tragen Ihres eigenen HairIO bitte die folgenden Überlegungen:

Hitze

Da HairIO mit Widerstandsheizung arbeitet, besteht die Möglichkeit einer Überhitzung. Wenn der Thermistor ausfällt oder sich nicht nahe genug am Geflecht befindet, kann er die Temperatur möglicherweise nicht richtig ablesen. Wenn Sie den Temperaturabschaltcode nicht angeben, kann es sich weiter erhitzen als vorgesehen. Obwohl wir mit HairIO noch nie Verbrennungen erlebt haben, ist dies eine wichtige Überlegung.

Batterien

In HairIO verwenden wir LiPo-Akkus als unsere Stromquellen. LiPos sind großartige Werkzeuge, da sie wiederaufladbar sind und einen hohen Strom in einem kleinen Paket liefern können. Sie sollten auch sorgfältig behandelt werden; wenn sie unsachgemäß geladen oder durchstochen werden, können sie sich entzünden. Bitte lesen Sie diese Referenzen, um mehr über die Pflege Ihrer LiPos zu erfahren: ausführliche Anleitung; schnelle Tipps.

Thermochrome Pigmente

Die von uns verwendeten sind ungiftig, aber bitte nicht essen. Lesen Sie die Sicherheitshinweise für alles, was Sie kaufen.

Schritt 12: Referenzen und Links

Hier sammeln wir die Referenzen und Links in diesem Instructable für den einfachen Zugriff:

HaarIO

HairIO: Human Hair as Interactive Material - Dies ist die wissenschaftliche Arbeit, in der HairIO erstmals vorgestellt wurde.

HairIO Github-Repo - Hier finden Sie ein Git-Repo mit allen Schaltplänen und Code, die für diese Demo verwendet wurden, sowie einige Datenblätter für wichtige Komponenten.

Youtube - Sehen Sie die Haare in Aktion!

Stückliste für HairIO PCB

Kapazitive Berührung

Touché: Verbesserung der Berührungsinteraktion auf Menschen, Bildschirmen, Flüssigkeiten und Alltagsgegenständen

Instructable für Arduino-Version von Touche + Illutron Github Repo für Arduino-Code

Bluetooth

Bluetooth-Modul

Bluetooth-App

Sicherheit des LiPo-Akkus

Ausführliche Anleitung

Schnelle Tipps

Andere haarbezogene Technologien

Haarware, Katia Vega

Feuer, das Ungesehene

Die Autoren

Labor für hybride Ökologien

Christine Dierk

Molly Nicholas

Sarah Sterman