Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Imprimarea 3D a propriilor dvs. instrumente de măsurare tactile pentru persoanele cu deficiențe de vedere

În parteneriat cu Școala Missilor din Missouri, Laboratorul D'Arcy din cadrul Departamentului de Chimie de la Universitatea Washington din St. Louis creează instrumente didactice interesante pentru studenții cu deficiențe de vedere. O atenție deosebită se acordă măsurării și orientării spațiale - desenele finalizate includ atât o placă de măsurare Braille, cât și un etrier Braille (disponibile pentru descărcare). Încercăm să avansăm scopul proiectului prin crearea unor obiecte mai complexe care să îi ajute pe elevi să înțeleagă elementele fundamentale ale simetriei, un concept vital pentru chimie, matematică, arte plastice și multe altele.

Elevii din cursurile de chimie organică precizează adesea un perete în care o reprezentare bidimensională a unei molecule nu se traduce în obiectul tridimensional dorit. Dificultatea de conceptualizare a spațiului tridimensional este o sursă de frustrare pentru mulți, deoarece nu este o cunoaștere care poate fi împărtășită prin memorarea memoriei. Este comună pentru cursurile de chimie organică la nivel de colegiu să recomande utilizarea "kiturilor de modelare" pentru a ajuta studenții să facă legături tactile cu concepte vizualizate. Aceste kituri sunt adesea limitate în capacitatea lor de a reprezenta sisteme cu excepții, oferind în mod fals o noțiune de "rigiditate" a geometriei asociate cu chimia, în timp ce elevii învață simultan distorsiuni geometrice și stări de tranziție favorabile.Ca grup cuprinzând mai ales chimiști prin educație, ne-am concentrat inițial eforturile de proiectare a moleculelor "excepționale" pentru imprimarea 3D, ceea ce ar ajuta la înțelegerea distorsiunilor geometrice. Am susținut acest concept marcând moleculele cu lovituri și indicatoare tactile, permițându-le să țină evidența manipulării unei molecule în spațiu numai prin atingere.

Transmiterea informațiilor numai pe baza tactilității nu este o idee nouă. Poate că cea mai reușită și ușor de recunoscută realizare a unui sistem tactil de scriere este cunoscută sub numele de Braille, dezvoltată de scriitorul francez Louis Braille în 1824 la vârsta de cincisprezece ani. Am început să experimentăm modalități de implementare a tipului Braille în desenele noastre; după cum se dovedește, procesul de tipărire prin modelare prin depunere fuzionată permite crearea ușoară a umflaturilor pe fețe neplanare, perfectă pentru Braille. Primele noastre desene au fost simpliste și centrate în jurul geometriei moleculare (cum ar fi imprimările 3D prezentate în fotografia de mai jos), o încercare de a ne familiariza cu designul și tipărirea modelelor 3D.

Braille încorporat pe o reprezentare moleculară a dioxidului de carbon, cu amoniac, amoniu, un tetraedru și un octaedru în apropiere. Structuri proiectate și tipărite de Zac Christensen, Emma Mehlmann și Daniel Cotton.

O imprimare a dioxidului de carbon liniar este încorporată cu încercarea noastră de a scrie "CO2" în Braille - se spune destul de stomac ca "capitala capitală o numărul trei trei". Este important de reținut că Brailleul folosit astăzi nu este direct transliterativ. În timp ce Braille poate fi folosit pentru a exprima toate cele 26 de litere ale alfabetului latin, ceea ce duce la o eventuală transcriere a oricărui text în orice limbă printr-o simplă schimbare a fontului, aceasta a fost optimizată de-a lungul anilor pentru diferite limbi. Braila engleza unificată constă dintr-o vastă arhivă de contracții, indicatori și simboluri care servesc la maximizarea lizibilității textelor scrise în Braille. Partea din spate a modelului citește corect "Linear", referindu-se la geometria moleculară a dioxidului de carbon, dar în cele din urmă am știut că informațiile încorporate în proiectele viitoare trebuiau să fie transmise clar și succint, fără a provoca excesul de confuzie. Acest obiectiv ar fi imposibil să se realizeze fără ajutorul educatorilor și studenților care învață în Braille la Școala Missilor pentru Nevăzători din apropiere, oferindu-ne feedback valoroase și sugestii. Școala Missilor din Missouri este recunoscută ca prima instituție din Statele Unite care a adoptat oficial Braille în 1860. Răbdarea și disponibilitatea profesorilor și studenților MSB de a colabora cu noi și de a oferi feedback sincer și detaliat asupra desenelor și modelelor noastre ne-a condus lucrarea descrisă aici.

După ce am prezentat modelele noastre mai multor profesori la MSB și am discutat despre pedagogie, profesorul de matematică a menționat dificultatea pe care elevii o făceau să facă măsurători cu conducătorii. Elevii sunt asigurați cu conducători încorporați cu Braille, distribuiți de Casa de Imprimare Americană pentru Nevăzători (APH). Se pare că dificultatea majoră de măsurare nu vine de la conducătorii înșiși, ci de orientarea spațială necesară măsurării a trei dimensiuni distincte, și anume lungimea, lățimea și înălțimea. Elevii rotesc în mod frecvent obiecte în mâinile lor, făcând măsurători, pierzând rapid ce parte a fost măsurată anterior, ducând la confuzie. Acest lucru este perfect de înțeles - în momentul rotirii unui obiect în spațiu nu există un sistem cu axe fixe și, prin urmare, distincțiile de "înălțime, lățime și lungime" sunt complet arbitrare. Acest lucru face dificilă pentru un profesor să se asigure că întreaga sa clasă lucrează cu același set de axe. Ne-am propus să creăm obiecte care să permită elevului să diferențieze anumite părți chiar și după rotație. Aceste cuboide au texturi încorporate pentru a permite asignarea fixă ​​a laturilor și a direcțiilor:

Proiectul nostru inițial a inclus triunghiurile în sus pentru a desemna atât partea desemnată ca "lungime", cât și partea superioară a obiectului. Partea "lățime" este încorporată cu crestături verticale paralele. Un alt model include un indicator în formă de "cruce" pentru partea de sus a obiectului și linii perpendiculare pe ambele seturi de fețe atât pentru un cuboid, cât și pentru un cub. Se afișează și o încercare de relansare a ideii unei axe de coordonate carteziene fixe, unde un punct de origine (0, 0, 0) este definit de intersecția a trei identificatori de margini unici ridicate, o sferă pătrată, una rotundă și una separată . Modelul poate fi rotit liber în spațiu, păstrând în același timp setul original de axe.

După introducerea acestor obiecte studenților de la MSB, am fost încântați să le vedem atât de fascinați de procesul actual de imprimare 3D. Sensul lor de atingere este atât de rafinat încât a observat imediat creasta dintre straturile individuale ale filamentului PLA înainte de a observa oricare dintre diferențele textuale mai mari dintre laturi. Am realizat că nivelul de explicație cerut a făcut rapid aceste obiecte într-o sursă de confuzie - "triunghiurile tuturor sunt îndreptate în sus pe partea stângă și dreaptă a cuboidelor lor?" Nu este neapărat succintă sau clară. În plus, faptul că măsurarea a fost limitată la obiecte special concepute făcuse implementarea impracticoasă - ce se întâmplă dacă studentul dorește să măsoare o carte?

Brainstorming cu profesorii de la MSB ne-a condus la ideea de a crea o "bază", care ar servi ca un sistem fix de coordonate tridimensionale. În acest fel, orice obiect poate fi măsurat, deoarece nu trebuie să fie încorporat cu niciun marker de orientare special. Peste câteva luni, designul a fost optimizat, iar produsul final este prezentat mai jos. Placa a fost proiectată în AutoCAD, a fost importată în VCarve Pro și în cele din urmă a fost tăiată din fibră de hârtie cu densitate medie cu un router Shopbot Desktop CNC. Inițial, am planificat utilizarea a trei conducători braille APH ca axele noastre x, y și z. Acest lucru este compatibil cu axele y și z, dar la rotirea riglei pentru axa x, se constată că numerotarea este înapoi. Astfel, ne-am propus să proiectăm propriile rigle Braille care ar putea fi imprimate cu ușurință în orice imprimantă FDM. Deoarece acestea sunt în mare parte obiecte plate cu litere ridicate, ele sunt incredibil de ușor de imprimat la rezoluție înaltă. Braille încorporat pe suprafețele lor este clar, deși un pic cam dur, în funcție de elevi, așa că este necesară o șlefuire ușoară. Axa z este proiectată special cu caneluri pentru a permite unui ghidaj să alunece în sus și în jos rigla pentru a facilita determinarea înălțimii unui obiect. Au fost făcute mai multe iterații ale acestui design și sa stabilit că canelurile au fost optimale, permițând ghidajului să alunece cu forță blândă, dar nu datorită gravitației.

Lungimea de ghidare a axei z complete

Spațiul este prevăzut pentru dale de "titlu", permițându-le să descrie sistemul de măsurare (adică, metric, demarcări de 1 cm).

O axă de coordonate carteziană măsoară dimensiunile unui model scară al celulei unice a unei rețele de cristal cu diamant. Diamond lattice proiectat și tipărit de Micah Rubin.

Designul axei z ne-a determinat să luăm în considerare un alt model care ar putea fi folosit independent sau în combinație cu placa de măsurare. Un student, în particular, a fost încântat de perspectiva de a avea propria sa tablă de măsurare și de conducători acasă, așa că ne-am propus să proiectăm un instrument ușor mai portabil, iubit de factorii de decizie: un caliper. Designul riglei este similar cu cel al riglei axei y din fotografia de mai sus, deși Brailleul a fost ușor modificat pentru a număra între 0-18cm. Etrierul este tipărit în patru părți: o bază, un vârf, un diapozitiv și rigla în sine. Glisorul este montat pe șinele de ghidare, iar partea superioară și baza sunt fixate pe riglă cu epoxid, așa cum se arată în fotografia de mai jos.

Un șnur brail Braille tipărit complet 3D pentru măsurători ușoare.

Colaborarea dintre laboratorul nostru și Școala pentru orbi din Missouri este în curs de desfășurare și așteptăm multe proiecte interesante. Ca rezultat al acestui proiect, MSB a primit o subvenție semnificativă care ia permis să achiziționeze propriile imprimante 3D. Acest lucru, desigur, a fost un succes printre studenți. Am ajutat profesorii la experimentul MSB cu programul de modelare 3D Rhinoceros, un instrument puternic care le va permite să facă modificări designurilor noastre, precum și să creeze modele proprii atunci când apar nevoi. Proiectele viitoare includ structuri moleculare cu angrenaje interne care să permită rotirea legăturilor și reglarea unghiului de legătură, modele cu orbitale moleculare etichetate, laturi de cristal mai complexe și multe altele.

Puteți descărca fișierele STL și 3DM pentru modelele prezentate aici. Pentru informații de contact și mai multe despre aceste proiecte, vizitați site-ul laboratorului nostru. Pentru informații suplimentare, puteți vizita și Școala Missilor din Missouri.

Acțiune

Lasa Un Comentariu