Älypinnat ja IoT: Miten pinnat muuttuvat käyttöliittymiksi

Ollaanpa rehellisiä. Kosketusnäytöt ovat alkaneet ärsyttää. Muistatko vielä ajan, kun pystyit vaihtamaan radiokanavaa tai säätämään ilmastointia autossa irrottamatta katsetta tiestä vain tunnustelemalla nappulaa? Minä muistan.

Nykyään istumme lasilevyjen ympäröiminä, ja vaikka ne näyttävät futuristisilta myyntiesitteissä, käyttökokemus on välillä kaukana ideaalista. Sormenjälkiä, valikoiden kahlkaamista ja sitä kylmää tunnetta sormenpäissä.

Mutta emme ole palaamassa mekaanisiin kytkimiin. Se juna meni jo. Olemme siirtymässä johonkin paljon mielenkiintoisempaan: älypintoihin. Kuvittele puupinta, joka näyttää tavalliselta tammiviilulta, mutta kun viet käden sen lähelle, siihen syttyy valoilla toteutettuja kontrollikuvakkeita. Tai lasiseinä, joka toimii valonlähteenä ja sensorina ilman yhtäkään näkyvää johtoa.

Tämä ei ole scifiä, vaan Flexbrightin kaltaisten yritysten arkipäivää. Kyse on siitä, miten pinnat – olivatpa ne muovia, lasia tai tekstiiliä – muuttuvat passiivisista kuorista aktiivisiksi käyttöliittymiksi. Puhutaan ”Shy Techistä” – teknologiasta, joka on piilossa silloin kun sitä ei tarvita.

Mistä tässä on teknisesti kyse? (Ei pelkkää magiaa)

Pinnallinen selitys on helppo: upotetaan elektroniikkaa materiaalin sisään. Mutta jos olet koskaan yrittänyt laminoida mitään, tiedät että pelkkä paperin saaminen muovin väliin suoraan on taitolaji. Kuvittele nyt, että sinne pitää saada mikrometrien paksuisia johtimia, herkkiä LED-komponentteja ja sensoreita.

Perinteinen piirilevy (PCB) on jäykkä, paksu ja ruma. Et voi lätkäistä vihreää lasikuitulevyä kaarevaan auton kojelautaan ja toivoa parasta.

Ratkaisu on taipuisa hybridelektroniikka (Flexible Hybrid Electronics, FHE). Tässä kohtaa Flexbrightin käyttämä Roll-to-Roll (R2R) -prosessi astuu kuvaan.

Prosessia voisi verrata sanomalehden painamiseen, mutta muste on sähköä johtavaa hopeapastaa ja paperin sijaan käytetään ohuita muovikalvoja (kuten PET tai TPU). Tähän ”painettuun piiriin” ladotaan komponentit – esimerkiksi LEDit – suoraan rullalta rullalle -linjastolla.

Miksi tämä on vaikeaa?

Työskentelin kerran projektissa, jossa yritimme integroida kapasitiivisia kytkimiä ruiskuvaletun muovin sisään (ns. In-Mold Electronics, IME). Se on tekninen painajainen, jos ei tiedä mitä tekee:

• Lämpölaajeneminen on armotonta. Kun muovi jäähtyy muotissa, se kutistuu. Jos elektroniikka ei jousta mukana, liitokset napsuvat poikki ennen kuin osa on edes ulos koneesta.
• Komponenttien on kestettävä satojen asteiden lämpötiloja ja satojen baarien paineita ruiskuvalun aikana. Tavallinen LED murskautuu tuossa paineessa tomuksi.
• Liimaukset ovat kriittisiä. Johtavan liiman pitää olla joustavaa, mutta sähköisesti äärimmäisen stabiilia.

Flexbrightin LED-kalvot ovat tässä suhteessa nerokkaita, koska ne ovat alle millimetrin paksuisia, taipuisia ja läpinäkyviä. Ne voidaan laminoida lasin väliin (kuten tuulilaseihin tai arkkitehtuurilasiin) ilman, että rakenne paksuuntuu tai visuaalinen ilme kärsii.

IoT: Kun pinta alkaa jutella takaisin

Pelkkä valo ei tee pinnasta älykästä. Älykkyys tulee siitä, että pinta kerää dataa ja kommunikoi.

Kun puhumme IoT:sta (Internet of Things) tässä yhteydessä, emme puhu vain siitä, että jääkaappi tilaa maitoa. Puhumme siitä, että neuvotteluhuoneen lasiseinä tunnistaa, onko huoneessa ihmisiä (lämpötila- tai likesensorit kalvossa) ja säätää valaistuksen automaattisesti.

Tai mieti julkisen liikenteen istuimia. Jos verhoilukankaaseen on integroitu painesensorit, bussi tietää tasan tarkkaan, montako penkkiä on varattu, ja voi lähettää tiedon suoraan pysäkillä odottavan matkustajan puhelimeen. ”Täyttöaste 80%” on paljon hyödyllisempi tieto kuin pelkkä ”Bussi saapuu 2 min”.

Käytännön sovelluksia, joita olemme jo nähneet

Markkina on nyt siinä pisteessä, että olemme siirtymässä prototyypeistä tuotantoon. Tässä muutamia esimerkkejä, jotka eivät ole enää pelkkää visiota:

Autoteollisuus on suurin veturi.
Autonvalmistajat haluavat eroon mekaanisista napeista, mutta myös perinteisistä näytöistä. Tavoitteena on saumaton design. Kojelauta voi olla yhtä yhtenäistä pintaa, joka herää eloon vasta, kun auto käynnistetään. Flexbrightin tyyppiset valokalvot mahdollistavat dynaamisen taustavalaistuksen kaareviin pintoihin, mihin perinteinen valokuitu ei taivu – ja kuitu on muutenkin asennusmielessä kömpelöä.

Arkkitehtuuri ja ”Media Facades”.
Olet ehkä nähnyt rakennuksia, joiden julkisivu on yhtä isoa mainosnäyttöä. Ne ovat yleensä toteutettu raskailla LED-paneeleilla. R2R-prosessilla tuotettu LED-folio voidaan integroida suoraan ikkunalasin sisään laminoinnin yhteydessä. Ikkuna on läpinäkyvä päivällä, mutta illalla se on valtava videopinta. Tämä säästää tonneittain teräsrakenteita ja kaapelointia.

Vähittäiskauppa ja älyhyllyt.
Kaupan hyllynreuna on yksi maailman alihyödynnetyimmistä kiinteistöistä. Digitaaliset hintalaput ovat yksi juttu, mutta entä jos koko hylly hehkuisi tuotteen brändivärissä ja vilkuttaisi, kun asiakas lähestyy sitä? Se on huomion kiinnittämistä aivan eri tasolla.

Valmistuksen realiteetit – Miksi R2R on kunkku?

Tässä tullaan talouteen. Kukaan ei halua maksaa älykkäästä valokatkaisijasta sataa euroa, vaikka se olisi kuinka siisti. Hinnan on tultava alas, ja se onnistuu vain volyymilla.

Perinteinen elektroniikan valmistus (pick-and-place) on hidasta. Rulla-rullaprosessi (Roll-to-Roll) on pelinmuuttaja, koska se on jatkuva prosessi.

• Linjaston toisessa päässä on rulla muovikalvoa.
• Matkalla siihen tulostetaan johtimet, liimataan komponentit ja suojataan rakenne.
• Toisesta päästä tulee valmista älykalvoa satoja metrejä tunnissa.

Tämä alentaa yksikkökustannuksia dramaattisesti. Lisäksi R2R-prosessi mahdollistaa valtavan suuret pinnat. Piirilevyjä ei voi tehdä metrien mittaisiksi ilman liitoksia, mutta kalvoa voi tulostaa niin pitkälle kuin rullaa riittää. Tämä on kriittistä esimerkiksi autojen kattoverhoiluissa tai suurissa mainosvalaisimissa.

Haptinen palaute – Puuttuva palanen

Yksi asia, jota kosketusnäytöt eivät osaa hyvin, on tunne. Kun painat mekaanista nappia, tunnet ”kliksahduksen”. Tiedät sormituntumalla, että komento meni perille. Lasipinta on mykkä.

Tulevaisuuden älypinnoissa haptinen palaute on integroitu suoraan rakenteeseen. Kun kosketat ”virtuaalista” nappia puupinnalla, pinta värähtää täsmällisesti sormesi alla. Tämä vaatii pietsosähköisten aktuaattorien integrointia samaan ohueen kalvorakenteeseen valojen ja sensorien kanssa.

Se on teknisesti haastavaa, koska värinä voi rikkoa herkät liitokset ajan myötä. FHE-materiaalit (Flexible Hybrid Electronics) kestävät väsymistä paremmin kuin jäykät materiaalit, mutta tässäkin on vielä insinööreille pähkäiltävää. Flexbrightin kaltaiset ratkaisut, joissa johdinmateriaalit ovat joustavia, antavat onneksi hieman anteeksi mekaanista rasitusta.

Mitä seuraavaksi?

Emme ole enää kaukana siitä, että ”käyttöliittymä” sanana alkaa vanhentua. Käyttöliittymä viittaa siihen, että on erillinen laite, jota käytetään.

Tavoite on ambient computing – ympäristö itsessään on tietokone. Pöytäsi pinta lataa puhelimesi, näyttää kalenterisi ilmoitukset himmeänä hehkuna puun läpi ja toimii videoneuvottelun ohjauspaneelina. Ja kun et käytä sitä, se on vain kaunis pöytä.

Suomalainen osaaminen tässä on kovaa luokkaa. Meillä on pitkä historia painetussa elektroniikassa (kiitos Oulun seudun perinnön), ja Flexbrightin kaltaiset toimijat vievät sitä nyt käytäntöön tavalla, joka skaalautuu teolliseen tuotantoon.

Oli kyseessä sitten linja-auton valaistu katto, joka simuloi taivasta vähentääkseen matkustajien stressiä, tai älykäs laastari, joka tarkkailee haavan paranemista ja lähettää tiedon lääkärille – perusperiaate on sama. Elektroniikka katoaa näkyvistä materiaalien sisään.

Sitä on vaikea kuvailla, kuinka paljon miellyttävämpää on olla tilassa, jossa teknologia ei hypi silmille mustina suorakaiteina, vaan on osa sisustusta. Se on hiljaista, se on huomaamatonta, ja se toimii. Juuri niin kuin hyvän teknologian pitääkin.