Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

3D друк власних тактильних засобів вимірювання для людей з порушеннями зору

У партнерстві з школою для сліпих Міссурі, лабораторія D'Arcy у хімічному факультеті Вашингтонського університету у Сент-Луїсі створює захоплюючі дидактичні інструменти для студентів з вадами зору. Особлива увага приділяється вимірюванню та просторовій орієнтації - доопрацьовані конструкції включають в себе як таблицю вимірювань Брайля, так і шпигун Брайля (доступний для завантаження). Ми прагнемо розширити сферу нашого проекту, створивши більш складні об'єкти, які допоможуть учням зрозуміти основи симетрії, концепції, важливої ​​для хімії, математики, образотворчого мистецтва тощо.

Студенти, які навчаються в курсах органічної хімії, часто потрапляють у стіну, де двовимірне представлення молекули не перетворюється на передбачуваний тривимірний об'єкт. Труднощі в осмисленні тривимірного простору є джерелом розчарування для багатьох, оскільки не знання можуть бути передані через запаморочення. Для курсів органічної хімії на рівні коледжів звичайно рекомендується використовувати «комплекти моделювання», щоб допомогти студентам зробити тактильні зв'язки з візуалізованими концепціями. Ці комплекти часто обмежені у своїй здатності представляти системи з винятками, помилково передаючи деяке поняття «жорсткості» геометрії, пов'язаної з хімією, в той час як одночасно студенти вивчають сприятливі геометричні спотворення і перехідні стани.Як група, що складається в основному з хіміків за освітою, ми спочатку зосередили наші зусилля на розробці «виняткових» молекул для 3D друку, які допоможуть зрозуміти геометричні спотворення. Ми розвинули цю концепцію, позначивши молекули тактильними шишками та індикаторами, що дозволяло відстежувати маніпуляцію молекулою в просторі тільки через дотик.

Передача інформації на основі тактильності не є новою ідеєю. Можливо, найуспішнішою і легко впізнаваною реалізацією тактильної системи письма є Брайля, розроблений французьким письменником Луїсом Брайлем у 1824 році в ранньому віці п'ятнадцяти років. Ми почали експериментувати зі способами впровадження шрифту Брайля в наші проекти; як виявилося, процес друкування моделей з розплавленим осадженням забезпечує легке створення піднятих шишок на неплоских гранях, ідеально підходить для шрифту Брайля. Наші перші проекти були спрощеними та зосереджені навколо молекулярної геометрії (наприклад, 3D-друк, показаний на фото нижче), спроба ознайомитися з дизайном і друком 3D-моделей.

Брайль вбудований в молекулярне представлення діоксиду вуглецю, з аміаком, амонієм, тетраедром і октаедром поблизу. Структури, розроблені і надруковані Заком Крістенсеном, Еммою Мельман і Даніелем Коттоном.

Відбиток лінійного діоксиду вуглецю вбудований у нашу спробу написання "CO2" на шрифті Брайля - він читається досить незграбно, як "капітал c капіталу № 3 три". Важливо відзначити, що сьогоднішній шрифт Брайля безпосередньо не транслітеративний. Хоча шрифт Брайля може використовуватися для вираження всіх 26 букв латинського алфавіту, що призводить до можливої ​​транслітерації будь-якого тексту будь-якою мовою за допомогою простої зміни шрифту, він був оптимізований протягом багатьох років для різних мов. Уніфікований англійський шрифт Брайля складається з величезного архівних скорочень, показників і символів, які служать для максимального розбірливості текстів, написаних шрифтом Брайля. На зворотній стороні моделі правильно читається «Лінійний», що відноситься до молекулярної геометрії вуглекислого газу, але в кінцевому рахунку ми знали, що вбудована інформація в майбутніх конструкціях повинна бути передана чітко і лаконічно, не викликаючи надмірної плутанини. Цю мету було б неможливо досягти без допомоги освітян та студентів Брайля, що навчаються, та студентів у сусідній школі Міссурі для сліпих, яка надає нам цінні відгуки та пропозиції. Міссурі школа сліпих визнана першою установою в Сполучених Штатах, яка офіційно прийняла шрифт Брайля в 1860 році. Терпіння і бажання вчителів і студентів MSB працювати з нами і забезпечувати чесний і ретельний відгук про наші проекти привели нас до описаної роботи.

Після показу наших моделей декільком викладачам в MSB і обговоренні педагогіки, вчитель математики згадав про труднощі, з якими її студенти мали проводити вимірювання з правителями. Студентам надаються лінійки, вбудовані в шрифт Брайля, що розповсюджується Американською друкарнею для сліпих (APH). Виявляється, основна складність вимірювання виходить не від самих лінійок, а просторової орієнтації для вимірювання трьох окремих розмірів, тобто довжини, ширини і висоти. Студенти часто обертають об'єкти в руках під час проведення вимірювань, швидко втрачаючи трек, з якого боку було попередньо виміряно, що призводить до плутанини. Це цілком зрозуміло - немає фіксованої осі системи при обертанні об'єкта в просторі, а тому відмінності «висоти, ширини і довжини» абсолютно довільні. Це робить особливо важким для вчителя забезпечити, щоб весь її клас працював з однаковим набором осей. Ми мали намір створити об'єкти, які дозволили б студентові диференціювати певні сторони навіть після обертання. Ці кубоїди мають вбудовані текстури, що дозволяють фіксувати призначення сторін і напрямків:

Наша первісна конструкція включала трикутники, що вказують вгору, щоб позначити обидві сторони, зазвичай призначені як "довжина", і верхню частину об'єкта. Сторона «ширини» вбудована з паралельними вертикальними грядами. Інша конструкція включає в себе «хрестоподібний» індикатор для верхньої частини об'єкта і перпендикулярні лінії на обох наборах граней як для кубоїда, так і для куба. Показано також спробу ретрансляції ідеї фіксованої координатної осі координат, де точка початку (0, 0, 0) визначається перетином трьох унікальних рельєфних ідентифікаторів, одного квадрата, однієї округлої та однієї розділеної сфери. . Модель може вільно обертатися в просторі, зберігаючи при цьому оригінальний набір осей.

Представивши ці об'єкти студентам MSB, ми були раді бачити їх настільки захопленими фактичним процесом 3D друку. Їх сенс дотику настільки витончений, що вони відразу помітили хребти між окремими шарами нитки PLA, перш ніж вони помітили будь-які більші текстурні відмінності між сторонами. Ми зрозуміли, що необхідний рівень пояснення швидко зробив ці об'єкти джерелом плутанини - “чи всі трикутники вказують вгору на лівій і правій сторонах кубоїдів?” Не обов'язково є стислим або ясним. Більше того, той факт, що вимірювання обмежувалося спеціально розробленими об'єктами, зробили реалізацію непрактичною - що, якщо студент хоче виміряти книгу?

Мозковий штурм з викладачами MSB привів нас до ідеї створення «бази», яка буде служити фіксованою тривимірною системою координат. Таким чином, будь-який об'єкт можна виміряти, оскільки він не повинен бути вбудований з будь-якими спеціальними маркерами орієнтації. Протягом декількох місяців дизайн був оптимізований, а кінцевий продукт показаний нижче. Дошка була розроблена в AutoCAD, імпортована в VCarve Pro, і, нарешті, вирізана з ДВП середньої щільності з CNC маршрутизатором Shopbot Desktop. Спочатку ми планували використовувати три лінійки Брайля APH як наші осі x, y і z. Це сумісно з осями y і z, але при обертанні лінійки для осі x знайдено нумерацію назад. Таким чином, ми розробили власні лінійки Брайля, які можна було б легко надрукувати на будь-якому принтері FDM. Оскільки в основному це плоскі об'єкти з підвищеними літерами, вони надзвичайно легкі для друку з високою роздільною здатністю. Шрифт Брайля, вбудований на їхніх поверхнях, виходить чітким, хоча й трохи грубим за студентами. Вісь z спеціально розроблена з канавками, що дозволяє направляючому ковзати вгору і вниз по лінійці, щоб полегшити визначення висоти об'єкта. Було зроблено декілька ітерацій цієї конструкції, і було визначено, що канавки є оптимальними, що дозволяє направляти ковзати з м'якою силою, але не завдяки гравітації.

Повна лінійка осі Z з напрямним

Для плиток «назви» передбачено простір, що дозволяє описувати систему вимірювання (тобто метрику, 1 см демаркації).

Декартова координатна вісь вимірює розміри масштабної моделі елементарної комірки кристалічної решітки алмазу. Алмазна решітка спроектована і надрукована Міхей Рубіним.

Конструкція осі z привела нас до розгляду іншої конструкції, яка могла б використовуватися незалежно від плати вимірювань або разом з нею. Особливо один студент був схвильований тим, що у себе вдома є власна плата вимірювання та лінійки, тому ми вирішили створити трохи більш портативний інструмент, улюблений виробниками: супорт. Конструкція лінійки аналогічна конструкції лінійки y-осі на вищевказаній фотографії, хоча шрифт Брайля був трохи змінений, щоб рахувати від 0 до 18см. Штангенциркуль друкується чотирма частинами: основою, верхом, слайдом і самою лінійкою. Засувка встановлена ​​на напрямних рейках, а верхня і підстава закріплені на лінійці з епоксидним покриттям, як показано на фото нижче.

Повністю 3D-друкований портативний брайлівський штангенциркуль для легких вимірювань.

Співробітництво між нашою лабораторією та школою Міссурі для сліпих продовжується, і ми очікуємо набагато більше цікавих проектів. В результаті цього проекту MSB отримала значний грант, що дозволило їм придбати власний 3D-принтер. Це, звичайно, було хітом серед студентів. Ми допомагаємо вчителям в експерименті MSB з програмою 3D-моделювання Rhinoceros, потужним інструментом, який дозволить їм вносити зміни в наші проекти, а також створювати власні конструкції, коли виникають потреби. Майбутні проекти включають молекулярні структури з внутрішніми передачами, що дозволяють обертати зв'язки і регулювати кут зв'язку, моделі з маркованими молекулярними орбіталями, більш складні кристалічні решітки та багато іншого.

Ви можете завантажити файли STL і 3DM для моделей, показаних тут. Для отримання контактної інформації та докладнішої інформації про ці проекти, будь ласка, відвідайте веб-сайт нашої лабораторії. За додатковою інформацією ви також можете відвідати школу Міссурі для сліпих.

Поділитися

Залишити Коментар