Fabrication de matériaux malléables et sensibles à l'interaction

Fabricating Malleable Interaction-Aware Materials

• Auteur / Autrice : Michael Wessely
• Direction : Theophanis Tsandilas, Wendy Mackay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Saclay, Ile-de-France) - Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Paule Cani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Theophanis Tsandilas, Wendy Mackay, Marie-Paule Cani, Scott Hudson, Anne Roudaut, Stefanie Mueller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Scott Hudson, Anne Roudaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Créativité en technologie

Prototypage rapide

Interaction humain-machine

Mots clés libres

Fabrication personnelle

Fabrication de prototypes

Aide à la créativité

Electronique imprimée

Personal fabrication

Prototyping

Creativity support

Printed electronics

Résumé

Les machines de fabrication personnelle, comme les imprimantes 3D, permettent aux créateurs occasionnels de fabriquer leurs propres objets. Il est possible de créer des pièces rigides, mais aussi des pièces souples, flexibles ou malléables. Ces propriétés mécaniques ouvrent des perspectives inédites dans la recherche en Interaction Homme-Machine (IHM) puisqu’elles permettent de réaliser de nouvelles formes d’interaction. Le défi reste toutefois d'intégrer des capteurs et du retour visuel dans ces matières. Les sciences des matériaux ont introduit plusieurs techniques pour produire des éléments interactifs, mais leur application requiert une expertise spécialisée ou la disposition d’équipements très couteux. Ma thèse se concentre sur les professions créatives, comme les professionnels du design, les architectes, ou les chercheurs en IHM. Elle vise à accompagner leur processus de conception et de prototypage avec des matériaux souples et interactifs, produisant des objets élastiques, des modèles avec des formes reconfigurables, ou même des maquettes qui peuvent être découpées. De tels matériaux pourraient enrichir notre interaction avec le monde numérique de trois manières différentes : 1) les dispositifs prosthétiques et l’informatique ubiquiste 2) le design de produits personnels 3) la fabrication interactive. J’introduis d’abord une nouvelle méthode pour intégrer des capteurs tactiles, des capteurs de proximité et des écrans électroluminescents dans des matériaux de silicone étirables. Basée sur des techniques d’impression en sérigraphie, la méthode permet de fabriquer rapidement des interfaces étirables et peu coûteuses, qui peuvent être intégrées dans les vêtements et dans d’autres objets ordinaires. Deuxièmement, je présente une approche pour créer des modules de constructions interactives, qu’on appelle “Tangramis Interactifs”. Les Tangramis interactifs sont des matériaux souples, par exemple du papier, pliés et combinés ensemble pour créer des structures modulaires en 3D. Ils peuvent réagir au toucher, être actionnés, et intégrer des composants électroniques comme des LEDs. Nous utilisons une technique rapide d’impression par jet d’encre pour intégrer des capteurs et des circuits dans le papier. Nous avons également développé une interface graphique qui permet aux créateurs de concevoir la forme et le comportement interactif de leurs propres interfaces physiques avant de les imprimer sur papier. Troisièmement, j’introduis une méthode de fabrication de matériau capable à identifier sa forme (“shape-aware material”). Ce matériau peut détecter et communiquer sa géométrie en temps réel durant son découpage par un créateur. La méthode s’appuie sur une nouvelle technologie de capteurs de forme, imprimés par jet d’encre et intégrés dans du matériel de maquettage, comme le carton mousse. Notre logiciel aide les créateurs à générer du matériel de prototypage en 2D ou en 3D qui peut capter sa forme, en configurant la topologie des capteurs pour optimiser la précision du modèle. Il permet également d’établir le lien entre un modèle physique et sa représentation numérique dans un environnement CAO (Conception Assisté par l’Ordinateur), par exemple Blender et Unity. Notre approche soutient un processus de fabrication bi-directionnelle en intégrant des outils de modélisation à la fois physiques et numériques.

Personal fabrication machines, such as 3D printers, allow casual makers to create custom objects, which may also contain soft, flexible, or shape-changeable parts. Making use of these mechanical properties and developing novel forms of interaction opens up new possibilities for research in Human-Computer-Interaction (HCI). However, embedding sensing and output capabilities into material is still challenging. Although research in materials science has introduced a range of methods for producing interaction-aware materials, these methods require significant domain expertise and often rely on specialized and expensive equipment. My dissertation focuses on casual makers, designers, and HCI researchers, and investigates how to support their design and physical modeling tasks with interactive, non-rigid materials that are stretchable, shape configurable, or cuttable. I explore three directions on how such materials can enhance user interaction, with applications to wearables and ubiquitous computing, DIY product design, and interactive fabrication. First, I introduce a new fabrication method for embedding touch sensing, proximity sensing, and electroluminescent displays into stretchable silicone materials. Based on screen printing, the method allows for rapidly fabricating inexpensive and highly stretchable user interfaces than can be embedded in wearables and other everyday objects. Second, I present an approach for creating interactive paper-folded building blocks that we call Interactive Tangrami. Interactive Tangrami are made of flexible materials such as paper, folded and combined together to form modular 3D structures. They support touch sensing and actuation and can also integrate rigid electrical components, such as LEDs. We use a rapid ink-jet printing technique to apply sensors and circuits on paper. We also offer a software tool that helps makers to design the geometry and interactive behavior of their physical user interfaces and then print them on paper. Third, I introduce a method for fabricating shape-aware material, which is modeling material that captures and streams its own shape while being cut by an artist. The method is based on a novel inkjet-printable sensing technology that can be embedded into a variety of cuttable material such as foam-core. Our software toolkit helps makers produce 2D or 3D shape-aware material and customize its sensing topology for higher sensing accuracy. It also allows them to link the physical model with its digital copy in a 3D CAD environment, such as Blender and Unity. Overall, our approach supports a bi-directional fabrication workflow that combines both physical and digital modeling tools.