[CHI 24 REVIEW] Programmable thermo materials in HCI

This document is structured as follows:

• Meta Information about the Paper (논문 정보)

• Researcher's Affiliation Site (저자 연구실 정보)

• Content for General Readers (일반 독자를 위한 내용)

• Content for Readers Who Want to Know More about the Paper (관련 분야 전문가를 위한 내용)

• Summary of Lessons Learned (교훈 정리)

let’s start.

Meta Information about the Paper

Yu, T., Fan, Y., Zhang, Z., Hu, Q., Xu, W., Mi, H., & Mueller, S. (2024, May). Thermaterial: Program Ambient Heat Transfer Behaviors on Objects through Fluidic Composites. In Extended Abstracts of the CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (pp. 1-8).

Video: https://dl.acm.org/doi/10.1145/3613905.3650747

Researcher's Affiliation Site

Prof. Stefanie Mueller

https://hcie.csail.mit.edu/stefanie-mueller.html

<Research Interest>

• Fabricating Interactions

• Objects with Interactive Appearances

• Tracking Interactions via Markers

• Embedding Sensing into Objects

• Prototyping on Curved Surfaces

• Design Practice

• Prototyping Health Sensing Devices

Prof. Haipeng Mi

https://www.milab.design/team-1/mi-haipeng

<Research Interest>

• User Interface Design andInteraction Technique

• Human Robot Interaction

• Digital Fabrication andTraditional Handicrafts Innovation

• Creative Media and AI

• Device, Data and Intelligence

• interactive Art

Content for General Readers

motivation

The motivation behind this research is to explore programmable materials to create objects with interactive physical properties.

There are diverse purposes for developing interfaces with controllable temperature, such as on-body thermal feedback devices, objects that display thermal information, or thermoreactive tangible interfaces (e.g., thermochromic or shape-changing interfaces).

However, existing research has certain limitations:

• Continuous energy consumption and bulky connected hardware, making them less efficient.

• They can only create one predefined heat transfer, as they are made using intrinsic properties.

• The use of sophisticated equipment makes them unsuitable for Human-Computer Interaction (HCI).

This research aims to overcome these challenges.

한글 요약:

이 연구는 프로그래머블 소재를 통해 상호작용하는 물리적 특성을 가진 객체를 만드는 것을 목표로 합니다. 온도 제어가 가능한 인터페이스가 다양한 목적으로 필요하지만, 기존 연구는 에너지 소비가 크고 부피가 큰 하드웨어를 사용하며, 미리 정의된 열 전달만 가능하고 정교한 장비가 요구된다는 한계가 있습니다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하고자 합니다.

contribution

• Developed Thermaterial, a system leveraging fluidic composites with adjustable thermal properties to facilitate temperature control without the need for constant energy consumption, instead harnessing pre-programmed ambient heat transfer processes.

• Outlined the fluidic composition and fabrication process for Thermaterial, which is simple to implement using standard, readily available equipment.

• Assessed the adjustable thermal insulation of Thermaterial, revealing variations of up to 3.0 times.

• Investigated various potential applications for programmable ambient heat transfer, demonstrating proof-of-concept prototypes such as reconfigurable passive thermal markers, customizable thermal wearables, containers with tailored thermal insulation configurations, and dynamic thermal-insulated enclosures.

한글 요약:

• Thermaterial을 개발했으며, 이는 유체 복합체를 사용해 지속적인 에너지 소비 없이 프로그램된 환경 열전달을 활용하여 온도 조절 기능을 가능하게 하는 방법입니다.

• Thermaterial의 유체 복합 조성 및 제작 방법을 제시했으며, 이를 상용 장비로 쉽게 구현할 수 있습니다.

• Thermaterial의 조정 가능한 열 절연 성능을 평가하여 최대 3.0배의 변화를 입증했습니다.

• 프로그램 가능한 환경 열전달을 이용한 잠재적 응용 가능성을 탐구하였으며, 재구성 가능한 패시브 열 마커, 조정 가능한 열 착용 장치, 맞춤형 열 절연 레이아웃을 갖춘 컨테이너, 동적 열 절연 인클로저 등의 개념 증명 프로토타입을 제작했습니다.

Content for Readers Who Want to Know More about the Paper

Fabrication and Insulation Principles

The basic principle relies on the different thermal conductivities of water and air. Water has a thermal conductivity of 0.6 W/(m·K), while air's thermal conductivity is 0.026 W/(m·K). By adjusting the water-filling ratio, the thermal insulation properties of the composite can be modified.

Insulation Estimation

Three different water-filling ratios were tested: 100%, 50%, and 0%. Each configuration was tested three times. In the experiment, 90 mL of water at 47°C and 3°C was added to the hot and cold tanks, respectively, as the initial state. The setup utilized:

• 10k NTC thermistors as temperature sensors to measure the temperatures in both water tanks.

• A 2 cm-thick layer of polymeric foam as thermal insulation to prevent interference from ambient heat.

Applications

1. Reconfigurable Passive Thermal Marker

   This can be used as a thermal marker without requiring external energy. It simultaneously utilizes both visual and thermal cues, and the displayed pattern can be changed. It is visible only when attached to a thermally active surface, making it useful in environments where visibility in the visible spectrum is challenging.

   

2. Tunable Thermal Wearable

   The skin-contact temperature can be adjusted by altering the water-filling ratio, allowing for customizable cooling.

   

3. Customized Thermal-Insulated Layout in a Container

   Internal temperature patterns can be designed within a container to suit specific needs.

   

4. Dynamic Thermal-Insulated Enclosure

   This setup helps mitigate internal temperature fluctuations within devices, providing more stable thermal conditions.

   

한글 요약:

제작 및 단열 원리

기본 원리는 물과 공기의 서로 다른 열전도율을 이용하는 것입니다. 물의 열전도율은 0.6 W/(m·K)이고, 공기의 열전도율은 0.026 W/(m·K)입니다. 물 채움 비율을 조절함으로써 복합 재료의 단열 성능을 변화시킬 수 있습니다.

단열 성능 추정

100%, 50%, 0%의 세 가지 물 채움 비율을 실험했습니다. 각 구성은 세 번씩 테스트되었습니다. 실험에서는 각각 47°C와 3°C의 물 90mL를 온수 및 냉수 탱크에 초기 상태로 추가했습니다. 실험 장비는 다음과 같습니다:

• 온수 및 냉수 탱크의 온도를 측정하기 위한 10k NTC 온도 감지기.

• 외부 열 간섭을 차단하기 위한 두께 2cm의 폴리머 폼 단열재.

응용 사례

1. 재구성 가능한 패시브 열 마커

   외부 에너지를 필요로 하지 않는 열 마커로, 시각적 및 열 신호를 동시에 사용할 수 있으며, 패턴을 바꿔 표시된 내용을 변경할 수 있습니다. 가시광선으로 보기 어려운 환경에서는 열이 있는 표면에 붙어 있을 때만 볼 수 있습니다.

1. 조절 가능한 열 웨어러블

   물 채움 비율을 조절하여 피부 접촉 온도를 조절할 수 있어 맞춤형 냉각을 제공합니다.

2. 맞춤형 단열 레이아웃을 갖춘 컨테이너

   컨테이너 내부에 원하는 온도 패턴을 설계하여 특정 요구에 맞출 수 있습니다.

3. 동적 단열 보호 구조조

   기기의 내부 온도 변동을 완화하여 보다 안정적인 열 조건을 제공합니다.

Interesting Points

• 성능을 위해서 액체 금속을 사용할 수도 있지만 HCI 분야에서 해당 물질은 사용하기 어려워 물과 공기를 매개체로 사용했다는 본문의 글이 인상적이었다

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