Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

3D Vytiskněte si vlastní měřicí nástroje pro zrakově postižené

Ve spolupráci s Missouri School for the Blind vytváří laboratoř D'Arcy na katedře chemie na Washingtonské univerzitě v St. Louis vzrušující didaktické nástroje pro zrakově postižené studenty. Zvláštní důraz je kladen na měření a prostorovou orientaci - finalizované návrhy zahrnují jak měřicí desku Braillova písma, tak posuvné měřítko Braillova písma (které je možné stáhnout). Snažíme se rozšířit rozsah našeho projektu vytvořením komplexnějších objektů, které pomohou studentům pochopit základy symetrie, konceptu nezbytného pro chemii, matematiku, výtvarné umění a další.

Studenti v bakalářských kurzech organické chemie často zasáhnou zeď, kde se dvojrozměrná reprezentace molekuly nepromítá do zamýšleného trojrozměrného objektu. Obtížnost v konceptualizaci trojrozměrného prostoru je pro mnohé zdrojem frustrace, protože to není poznání, které může být dáno prostřednictvím memorování paměti. To je obyčejné pro vysokoškolské úrovně organické chemie kursy doporučit použití “modelování výstroje” pomoci studentům dělat hmatové spojení s vizualizovanými představami. Tyto soupravy jsou často omezeny svou schopností reprezentovat systémy s výjimkami, falešně propůjčují určitý pojem „tuhosti“ geometrie spojené s chemií, zatímco studenti se současně učí o příznivých geometrických deformacích a přechodových stavech.Jako skupina složená převážně ze školství se zpočátku zaměřili naše snahy na navrhování „výjimečných“ molekul pro 3D tisk, což by pomohlo pochopit geometrické zkreslení. Tento koncept jsme podpořili značením molekul hmatovými hrboly a indikátory, což nám umožňuje sledovat manipulaci s molekulou v prostoru pouze dotekem.

Nové informace založené pouze na taktilitě nejsou novou myšlenkou. Snad nejúspěšnější a snadno rozpoznatelná realizace hmatatelného psacího systému je známá jako Braillovo písmo, vyvinuté francouzským spisovatelem Louisem Braillem v roce 1824 v raném věku patnácti let. Začali jsme experimentovat se způsoby implementace Braillova písma do našich návrhů; jak se ukazuje, proces modelování tisku s fúzovanou depozicí umožňuje snadné vytvoření zvýšených hrbolů na nerovinných plochách, což je ideální pro Braillovo písmo. Naše první návrhy byly zjednodušující a zaměřené na molekulární geometrii (např. 3D výtisky uvedené na obrázku níže), pokus o seznámení s návrhem a tiskem 3D modelů.

Braillovo písmo vložené na molekulární reprezentaci oxidu uhličitého, s amoniakem, amoniakem, tetraedronem a oktaedronem poblíž. Struktury navržené a vytištěné Zac Christensen, Emma Mehlmann a Daniel Cotton.

Tisk lineárního oxidu uhličitého je zakotven v našem pokusu o napsání „CO2“ v Braillově písmu - je spíše neohrabaný jako „kapitál c kapitál o číslo tři tři“. Je důležité poznamenat, že Braillovo písmo, které se dnes používá, není přímo transliterativní. Zatímco Braillovo písmo lze použít k vyjádření všech 26 písmen latinské abecedy, což vede k možné transliteraci jakéhokoliv textu v libovolném jazyce jednoduchou změnou písma, bylo optimalizováno v průběhu let pro různé jazyky. Jednotný anglický braillovský braillský soubor se skládá z rozsáhlého archivu kontrakcí, indikátorů a symbolů, které slouží k maximalizaci čitelnosti textů napsaných v Braillově písmu. Zadní strana modelu správně čte „lineární“, odkazující na molekulární geometrii oxidu uhličitého, ale nakonec jsme věděli, že vložené informace v budoucích návrzích musely být předávány jasně a stručně, aniž by to způsobilo nadměrný zmatek. Tohoto cíle by nebylo možné dosáhnout bez pomoci Braillově vzdělaných pedagogů a studentů v nedaleké Missouri School pro nevidomé, kteří nám poskytnou cenné zpětné vazby a návrhy. Missouri škola pro nevidomé je uznávána jako první instituce ve Spojených státech, aby oficiálně přijala Braillovo písmo v roce 1860. Trpělivost a ochota učitelů a studentů na MSB spolupracovat s námi a poskytovat upřímnou a důkladnou zpětnou vazbu na naše návrhy nás zavedla zde popsanou práci.

Učitel matematiky po předvedení našich modelů několika učitelům na MSB a diskusi o pedagogice zmínil, jak obtížné mají její studenti měření s vládci. Studenti jsou vybaveni pravítky s Braillovým písmem, distribuovaným Americkou tiskárnou pro nevidomé (APH). Ukazuje se, že hlavní obtíž při měření nepochází ze samotných pravítek, ale prostorová orientace potřebná k měření tří samostatných rozměrů, tj. Délky, šířky a výšky. Studenti při provádění měření často otáčejí předměty v rukou a rychle ztrácejí stopu, která byla předtím změřena, což vede k nejasnostem. To je zcela pochopitelné - při otáčení objektu v prostoru neexistuje žádný systém s pevnou osou, a proto jsou rozdíly „výšky, šířky a délky“ zcela libovolné. Proto je pro učitele obzvláště obtížné zajistit, aby celá třída pracovala se stejným souborem os. My jsme se rozhodli vytvořit objekty, které by studentovi umožnily rozlišovat i po otočení. Tyto kvádry mají vložené textury umožňující pevné přiřazení stran a směrů:

Náš počáteční návrh zahrnoval vzhůru směřující trojúhelníky, které označují stranu běžně přiřazenou jako „délka“ a horní část objektu. Strana „šířka“ je opatřena rovnoběžnými svislými vyvýšeninami. Jiný design zahrnuje “kříž” tvarovaný indikátor pro vrchol objektu, a kolmé linky na obou souborech tváří pro oba kvádr a kostku. Je ukázán pokus o předání myšlenky pevné kartézské osy souřadnic, kde počáteční bod (0, 0, 0) je definován průsečíkem tří jedinečných identifikátorů vyvýšených hran, jednoho čtverce, jednoho zaobleného a jednoho odděleného sféry. . Model lze volně otáčet v prostoru při zachování původní sady os.

Po představení těchto předmětů studentům v MSB jsme byli nadšeni, že je fascinuje skutečný proces 3D tisku. Jejich pocit hmatu je tak rafinovaný, že si okamžitě všimli hřebenů mezi jednotlivými vrstvami nití PLA, než si všimli některého z větších texturních rozdílů mezi stranami. Uvědomili jsme si, že požadovaná úroveň vysvětlení tyto objekty rychle změnila v zdroj zmatku - „jsou trojúhelníky na levé a pravé straně jejich hranolů vzhůru?“ Není nutně stručné ani jasné. Navíc skutečnost, že měření bylo omezeno na speciálně navržené objekty, znemožnilo implementaci - co když chce student měřit knihu?

Brainstorming s učiteli v MSB nás vedl k myšlence vytvořit „základnu“, která by sloužila jako pevný trojrozměrný souřadnicový systém. Tímto způsobem lze měřit jakýkoli objekt, protože nemusí být vložen s žádnými speciálními značkami orientace. Během několika měsíců byl návrh optimalizován a konečný produkt je uveden níže. Deska byla navržena v AutoCADu, importována do VCarve Pro a nakonec řezána ze středně husté dřevovláknité desky s CNC routerem Shopbot Desktop. Zpočátku jsme plánovali použít tři pravítka typu APH braille jako osy x, y a z. To je kompatibilní s osami y a z, ale při otočení pravítka pro osu x se zjistí, že číslování je zpětné. Proto jsme se rozhodli navrhnout vlastní Braillova pravítka, která by mohla být snadno vytištěna v jakékoli tiskárně FDM. Vzhledem k tomu, že se jedná většinou o ploché předměty se zvýšeným nápisem, jsou neuvěřitelně snadno tisknutelné ve vysokém rozlišení. Braillovo písmo vložené na jejich povrchech je jasné, i když trochu drsnější podle studentů, takže bylo nutné nějaké lehké broušení. Osa z je speciálně navržena s drážkami, aby se vodítko mohlo posouvat nahoru a dolů po pravítku, aby se usnadnilo určení výšky objektu. Bylo provedeno několik iterací tohoto designu a bylo zjištěno, že drážky jsou optimální, což umožňuje vodítku klouzat jemnou silou, ale nikoli gravitací.

Plné pravítko osy z s vodítkem

Prostor je určen pro „titulní“ dlaždice, což umožňuje popsat systém měření (tj. Metrické, 1 cm demarkace).

Kartézská souřadná osa měří rozměry měřítkového modelu jednotkové buňky diamantové krystalové mřížky. Diamantová mříž navržená a vytištěná Micahem Rubinem.

Konstrukce osy z nás vedla k dalšímu návrhu, který by mohl být použit nezávisle na měřicí desce nebo ve spojení s ní. Jeden student zejména byl nadšený z vyhlídky na to, že bude mít vlastní měřicí desku a vládce doma, takže jsme se rozhodli navrhnout o něco více přenosný nástroj, milovaného tvůrci: třmen. Design pravítka je podobný tomu pravítka y-osy nahoře na fotografii, ačkoli Braillovo písmo bylo mírně upraveno počítat od 0 - 18cm. Třmen je vytištěn ve čtyřech částech: základně, nahoře, sklíčku a samotném pravítku. Šoupátko je namontováno na vodicích kolejnicích a horní a spodní část jsou připevněny k pravítku pomocí epoxidu, jak je znázorněno na obrázku níže.

Plně 3D potištěné braillovo měřítko pro snadné měření.

Spolupráce mezi naší laboratoří a školou Missouri pro nevidomé probíhá a očekáváme, že přijdou další zajímavé návrhy. Výsledkem tohoto projektu byl MSB významný grant, který jim umožnil zakoupit si vlastní 3D tiskárnu. To, samozřejmě, byl hit mezi studenty. Pomáháme učitelům v experimentu MSB s 3D modelovacím programem Rhinoceros, což je mocný nástroj, který jim umožní provádět úpravy našich návrhů a vytvářet vlastní návrhy, když se objeví potřeby. Budoucí projekty zahrnují molekulární struktury s vnitřními ozubenými koly umožňující rotaci vazeb a nastavení úhlu vazby, modely s označenými molekulárními orbitály, složitější krystalové mřížky a další.

Soubory STL a 3DM si můžete stáhnout zde uvedené modely. Kontaktní informace a další informace o těchto projektech naleznete na webových stránkách naší laboratoře. Pro další informace můžete také navštívit školu Missouri pro nevidomé.

Podíl

Zanechat Komentář