Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

3D Tulosta omat kosketusmittaustyökalut näkövammaisille

Yhteistyössä Missourin Blind-koulun kanssa D'Arcy Lab St. Washingtonin yliopiston kemian laitoksella luo jännittäviä didaktisia työkaluja näkövammaisille opiskelijoille. Erityistä huomiota kiinnitetään mittaukseen ja alueelliseen suuntautumiseen - viimeisteltyihin malleihin kuuluu sekä pistekirjoitusmittauslevy että Braille-kallistin (jotka ovat ladattavissa). Pyrimme edistämään hankkeen ulottuvuutta luomalla monimutkaisempia esineitä, jotka auttavat oppilaita ymmärtämään symmetrian perusteet, kemian, matematiikan, kuvataiteen ja muun tärkeän käsitteen.

Yliopistojen orgaanisen kemian kurssit opiskelevat usein seinään, jossa molekyylin kaksiulotteinen esitys ei käänny aiottuun kolmiulotteiseen kohteeseen. Vaikeus kolmiulotteisen avaruuden käsitteellistämisessä on monille turhautumisen lähde, sillä ei ole tietoa, jota voidaan levittää muinaismuistin avulla. Yliopistotason orgaanisen kemian kursseilla on tavallista suositella ”mallinnussarjojen” käyttöä, jotta oppilaat voivat tehdä tuntoyhteyksiä visualisoituihin käsitteisiin. Nämä sarjat rajoittuvat usein niiden kykyyn edustaa järjestelmiä poikkeuksin, antamalla virheellisesti jonkinlaisen käsitteen kemiaan liittyvän geometrian "jäykkyydestä", kun taas opiskelijat oppivat suotuisista geometrisista vääristymistä ja siirtymätiloista.Ryhmänä, joka koostuu pääasiassa kemisteistä koulutuksen avulla, keskityimme aluksi ponnisteluihin "poikkeuksellisten" molekyylien suunnitteluun 3D-tulostusta varten, mikä auttaisi ymmärtämään geometrisia vääristymiä. Edistimme tätä konseptia merkitsemällä molekyylit tuntoisilla kuoppilla ja indikaattoreilla, jolloin voidaan seurata molekyylin manipulointia avaruudessa pelkästään kosketuksen avulla.

Pelkkä tuntoon perustuva tiedonsiirto ei ole uusi idea. Ehkä tunteellisimman kirjoitusjärjestelmän onnistunein ja helposti tunnistettavissa oleva tunne tunnetaan nimellä Braille, jonka ranskalainen kirjailija Louis Braille on kehittänyt vuonna 1824 15-vuotiaana. Aloitimme kokeilemalla tapoja Braillen toteuttamiseen malleihimme; kuten kävi ilmi, sulatetun kerrostumisen mallintamisen tulostusprosessi mahdollistaa kohotettujen kohoumien helpon luomisen ei-tasomaisille pinnoille, jotka ovat täydellisiä Brailleille. Ensimmäiset mallimme olivat yksinkertaisia ​​ja keskittyneet molekyylien geometriaan (kuten alla olevassa kuvassa esitetyt 3D-tulosteet), yrittää tutustua 3D-mallien suunnitteluun ja tulostamiseen.

Braille on upotettu hiilidioksidin molekyyliseen esitykseen, jossa on ammoniakkia, ammoniumia, tetraedronia ja oktaedria. Rakenteet, jotka on suunnitellut ja painanut Zac Christensen, Emma Mehlmann ja Daniel Cotton.

Lineaarisen hiilidioksidin painatus on sisällytetty siihen, että yritämme kirjoittaa ”CO2” Braille-kirjastossa - se lukee melko kömpelöminä ”pääkaupunkiseudun kolme lukua”. On tärkeää huomata, että nykyisin käytetty Braille ei ole suoraan transliteratiivinen. Braille-kirjainta voidaan käyttää ilmaisemaan kaikki 26 latinalaisen aakkosen kirjainta, mikä johtaa minkä tahansa tekstin mahdolliseen translitterointiin jollakin kielellä yksinkertaisella kirjasinmuutoksella, ja se on optimoitu eri vuosien ajan eri kielille. Unified English Braille koostuu laajasta supistusten, indikaattorien ja symbolien arkistosta, jotka auttavat maksimoimaan Braille-kirjoitettujen tekstien luettavuuden. Mallin takana on oikein sanottu "Lineaarinen", joka viittaa hiilidioksidin molekyyli geometriaan, mutta viime kädessä tiesimme, että tulevien mallien upotettua tietoa oli välitettävä selkeästi ja ytimekkäästi aiheuttamatta liikaa sekaannusta. Tämä tavoite olisi mahdotonta saavuttaa ilman Braille-lukutaitoisia opettajia ja opiskelijoita lähistöllä sijaitsevassa Missourin koulussa, joka tarjoaa meille arvokasta palautetta ja ehdotuksia. Missourin sokeiden koulu on tunnustettu ensimmäiseksi instituutiksi Yhdysvalloissa, joka hyväksyy virallisesti Braille vuonna 1860. MSB: n opettajien ja opiskelijoiden kärsivällisyys ja halukkuus työskennellä kanssamme ja antaa rehellistä ja perusteellista palautetta malleistamme johti meihin tässä kuvatussa työssä.

Kun matematiikan opettaja esitti malleja useille MSB: n opettajille ja keskusteli pedagogiikasta, hän mainitsi oppilaiden vaikeudet tehdä mittauksia hallitsijoilla. Opiskelijoille tarjotaan pistekirjoituksella upotetut hallitsijat, jotka levittävät American Blindin painotalo (APH). Osoittautuu, että mittauksen suurimpana vaikeutena ei ole itse hallitsijat vaan paikkatieto, joka tarvitaan kolmen erillisen ulottuvuuden, eli pituuden, leveyden ja korkeuden mittaamiseen. Opiskelijat kääntävät usein esineitä käsissään mittauksia tehdessään, mutta menettävät nopeasti sen, mitkä sivut on aiemmin mitattu, mikä aiheuttaa sekaannusta. Tämä on täysin ymmärrettävää - esineessä ei ole kiinteää akselijärjestelmää, ja siksi "korkeuden, leveyden ja pituuden" erot ovat täysin mielivaltaisia. Tämä tekee opettajalle erityisen vaikeaksi varmistaa, että hänen koko luokkansa toimii samalla akseliryhmällä. Pyrimme luomaan esineitä, joiden avulla opiskelija voisi erottaa tietyt puolet kiertämisen jälkeen. Näissä kuutioissa on upotetut kuviot, joiden avulla sivut ja suunnat voidaan määrittää kiinteästi:

Alustavassa suunnittelumme sisälsi ylöspäin osoittavat kolmiot, jotka määrittivät sekä sivun, joka on yleisesti määritelty "pituudeksi" että kohteen yläosaksi. ”Leveys” on upotettu yhdensuuntaisiin pystysuoriin harjanteisiin. Toinen muotoilu sisältää objektin yläreunan "ristiin" muotoisen indikaattorin ja kohtisuorat viivat molemmissa kasvojen sarjoissa sekä kuutiolle että kuutioon. Yritetään myös välittää ajatus kiinteästä suorakulmaisesta koordinaattiakselista, jossa alkupiste (0, 0, 0) määritellään leikkaamalla kolme ainutlaatuista korotettua reunan tunnusta, yksi neliö, yksi pyöristetty ja yksi erotettu pallo . Malli voidaan kääntää vapaasti tilaa säilyttäen alkuperäiset akselit.

Kun esitit nämä esineet MSB: n opiskelijoille, olimme innoissamme, että he olivat niin kiehtovia 3D-tulostuksen todellisesta prosessista. Niiden kosketuksen tunne on niin hienostunut, että ne huomasivat välittömästi PLA-filamentin yksittäisten kerrosten väliset harjanteet ennen kuin he huomasivat suuremmat tekstuurierot sivujen välillä. Ymmärsimme, että tarvittavan selityksen taso teki nämä esineet nopeasti sekaannuksen lähteeksi - "ovatko kaikkien kolmiot ylöspäin kuboistaan ​​vasemmalla ja oikealla puolella?" Ei välttämättä ole ytimekäs eikä selkeä. Lisäksi se, että mittaus rajoittui erityisesti suunniteltuihin esineisiin, teki toteutuksesta epäkäytännöllisen - mitä jos opiskelija haluaa mitata kirjaa?

Aivoriihi MSB: n opettajien kanssa johti meidät ajatukseen luoda "perusta", joka toimisi kiinteänä kolmiulotteisena koordinaattijärjestelmänä. Tällä tavoin voidaan mitata mitä tahansa kohdetta, koska sitä ei tarvitse upottaa mihinkään erityiseen suuntausmerkkiin. Useiden kuukausien aikana suunnittelu oli optimoitu ja lopputuote on esitetty alla. Hallitus suunniteltiin AutoCAD: iin, joka tuotiin VCarve Pro: iin ja lopulta leikattiin keskitaajuisesta kuitulevystä Shopbot Desktop CNC -reitittimellä. Aluksi aiomme käyttää kolmea APH-pistekirjoittajaa x-, y- ja z-akseleina. Tämä on yhteensopiva y- ja z-akseleiden kanssa, mutta kun x-akselin viivain käännetään, numerointi havaitaan taaksepäin. Siksi päätimme suunnitella omat Braille-hallitsijamme, jotka voitaisiin helposti tulostaa mihin tahansa FDM-tulostimeen. Koska nämä ovat enimmäkseen litteitä esineitä, joissa on korotettu kirjain, ne on helppo tulostaa suurella resoluutiolla. Niiden pinnoille upotettu pistekirjoitus tulee selväksi, vaikkakin hieman karkea, opiskelijoiden mukaan, joten hieman valohiekkaa oli tarpeen. Z-akseli on erityisesti suunniteltu urilla, joiden avulla ohjain voi liukua ylävirtaan ja alaspäin, jotta helpotetaan kohteen korkeuden määrittämistä. Tämän mallin useita iteraatioita tehtiin, ja määritettiin, että urat olivat optimaalisia, jolloin ohjain voi liu'uttaa kevyesti, mutta ei painovoiman vuoksi.

Täysi z-akselin viivaohjain

Välilyönti on tarkoitettu ”otsikko” -levyille, jolloin voidaan kuvata mittausjärjestelmää (ts. Metrinen, 1cm demarkointi).

Kartesiaalisella koordinaattiakselilla mitataan timanttikristallien yksikkösolun mittamallin mitat. Micah Rubinin suunnittelema ja painama timanttihila.

Z-akselin muotoilu johti siihen, että harkitsimme toista mallia, jota voitaisiin käyttää riippumatta mittauslevystä tai yhdessä sen kanssa. Yksi opiskelija oli erityisen innostunut siitä, että hänellä oli oma mittauslauta ja hallitsijat kotona, joten päätimme suunnitella hieman kannettavampaa työkalua, jonka päättäjät ovat rakastaneet. Hallitsijan muotoilu on samankaltainen kuin y-akselin viivain edellä olevassa kuvassa, vaikka pistekirjoitus on hieman muunnettu laskemaan 0–18 cm. Palkki on painettu neljään osaan: pohjaan, yläosaan, diaan ja hallitsijaan. Dia on asennettu ohjauskiskoille, ja yläosa ja pohja on kiinnitetty viivaan epoksilla, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Täysin kolmiulotteinen painettu käsinkiristinpalkki helpottaa mittauksia.

Laboratoriomme ja Missourin sokeiden koulun välinen yhteistyö on käynnissä, ja odotamme paljon enemmän jännittäviä malleja. Tämän projektin tuloksena MSB: lle on myönnetty merkittävä apuraha, jonka ansiosta he voivat ostaa oman 3D-tulostimen. Tämä on tietenkin ollut osuma opiskelijoiden keskuudessa. Olemme auttaneet MSB: n opettajia 3D-mallinnusohjelmalla Rhinoceros, joka on tehokas työkalu, jonka avulla he voivat tehdä muutoksia malleihimme sekä luoda omia malleja, kun tarve syntyy. Tulevaisuuden hankkeisiin kuuluvat molekyylirakenteet, joissa on sisäiset vaihteet ja jotka mahdollistavat sidoskiertojen ja sidoskulman säätämisen, mallit, joissa on leimatut molekyylirajat, monimutkaisemmat kristalliristikot ja paljon muuta.

Olet tervetullut lataamaan STL- ja 3DM-tiedostot tässä esitetyistä malleista. Jos haluat lisätietoja ja lisätietoja näistä projekteista, käy laboratorion verkkosivuilla. Lisätietoja on myös Missourin sokeaoppilaitoksessa.

Osake

Jättänyt Kommenttia