谁偷偷动了我的口红？MIT的3D打印新研究一眼看穿

AM易道分享

早上刚刚使用了重要管控试剂瓶，或者涂了新买的全新色号口红。
下午再看的时候瓶身上竟然多了一个红色的警告标志，一眼便知。
谁偷偷动了？

但凡偷偷动瓶子/口红的人少拧了半圈，物体本身就可以把这件事通过明显的标记显示出来。

这种防御显示机制没有电池、没有传感器、没有一根导线。

只通过结构和光学原理就能在3D打印机上一次成型。

图注：四个样件，a化学品瓶（盖子松时报警），b可翻转的双面门牌，c旋钮控制的井字棋，d旋转变色的口红管

做这个有趣应用研究的是MIT的ShiftLens。

一作是EECS的博士生Yunyi Zhu，合作者来自慕尼黑工业大学和美国东北大学，导师是CSAIL的Stefanie Mueller。

原理说穿了是一排躺着的放大镜

我们试图先把原理讲讲清楚。

第一步，把两张图各切成很多细条，A条B条交替排好，贴在一个面上。

这时候你看到的是一团乱纹，两张图都认不出来。

到了第二步，在上面盖一层柱状透镜，就是一排躺着的小放大镜，每一个正好盖住一组AB条。

透镜的作用像一扇只开了一条缝的窗，同一时间只让你看见底下的一条。

看见A，画面就是A那张图；看见B，就是B那张。

到这一步为止，跟商场里卖的变脸光栅明信片是一回事。

明信片靠你歪头，你一动，光进透镜的角度变了，透镜就把另一条送进你眼睛，图跟着变。

换句话说，换哪张图，由你站在哪儿决定。

ShiftLens的改动就一句话：人不动，让透镜自己挪。

底下的图案层固定在瓶身上，上面的透镜层被瓶盖顶着，跟着盖子走。

拧盖子的时候，透镜层整体横着挪一点点，每个透镜正对的那条从A变成B，整个面同时换脸。

按论文3mm的默认节距、两个状态算，透镜只需要挪1.5mm，就能明显看出动过的痕迹。

还有一层不那么直观、但很关键的处理。

光靠透镜会串味，A画面还没走干净B画面就挤进来了，中间一段是糊的。

所以他们在透镜之间加了不透光的挡条，只放行正下方那一条，别的全挡死。

这么一来，两个画面之间不是慢慢渐变，而是干脆的跳变，人站着不动也不会看串。

这样的处理能让这种机制当状态指示用，很实用，一目了然。

下图关于工作原理

a为上下两层剖面，上层是带遮挡区的柱透镜阵列，下层是交错排列的图案条；b为机构动作后表面外观发生跳变

哪些结构或者产品能用得上？

论文搬出Chasles定理把什么场景能应用用一句话总结：能被一段曲线沿螺旋运动扫出来的曲面才行。

落到实处是三类，平移面（挤出类形体）、回转面（圆柱、圆锥、碗状）、旋转叠加平移的螺旋面。

也就是说，咱手上的产品能不能用这一招，先看它有没有一段直线运动，或者一段绕轴的旋转。有，就有戏。

下图说明了可用与不可用的曲面

a为三类可用曲面（平移面、回转面、组合螺旋面），b为两个不可用反例，滑动时会碰撞或错位

再合适的结构也需要引发变化的推力，一般有两个来源。

一是产品自己就有的动作，比如拧口红、按笔、拧瓶盖，这种应用不需要添加任何额外零件。

二是需要添加外部机构来触发这种视觉机制。

上图左为借用产品自身已有的运动，右为额外加装一个机构来提供位移

论文做了三个结构来展示这种机制的应用。

摇杆开关最简单，扳到两端各对应一个画面。

滚轮是齿轮齿条，滚一下带着透镜层走一段，适合连续扫过好几张画面。

还有就是旋钮立在面上，同轴一个小齿轮，一侧咬齿条，另一侧腔壁上开棘爪凹槽，有凹槽就是一档一档地跳画面。

三者能显示不同状态（画面）上限数量分别是2、5、10。

当我们能看到10种画面的时候，我们的感觉应用就可以完全拓宽到艺术或者文旅或者某种廉价的显示领域了。

下图是每种给出外形、内部结构和装配三视，a摇杆开关，b滚轮，c带棘爪的旋钮

具体3D打印细节

设计工具选了Rhino的Grasshopper。

选运动类型、拾取母线和轴、拉滑杆定角度，视口实时出曲面；

再选机构、在面上点一下放置，放得下显绿，放不下显红；

然后逐个状态传图，仿真，导出VRML。

下图是设计流程，以扇形门牌为例

上图是a选回转面并拾取母线与旋转轴，b视口预览生成的曲面，c放置开关机构，d上传两个状态的图片并预览贴图，e仿真结果与打印实物对照

打印在StratasysJ55上一次完成，VeroClear做透镜，VeroVividCMYW做彩色图案层，WSS150水溶支撑。

透镜、图案、齿轮、齿条、棘爪、导轨全在同一次作业里，泡完（水溶）支撑直接能用。

齿轮齿条一次印出来能咬合，在多材料机上不算新鲜；

但把光学件和传动件塞进同一次作业，还要求两者严丝合缝地对上位，对设备要求还是比较高的。

透镜偏一点，画面就串了。

所以我们感觉这个应用用FDM+高透材料的效果不佳，用以光固化为核心的技术做高透材料应该都能尝试复刻。

几个核心数字，和论文没回答的问题

单个特征打印的最小特征往往做不到200μm以下。

所以状态数不能超过节距除以200μm。

5mm节距理论上塞得下25种状态画面，但光学优化只做到10态，因为画面越多可视角越窄，再多就不能看了。

论文还提到个细节值得单拎出来。

实测的透镜表面有微小瑕疵，会产生漫射，理论上该被彻底挡死的图案其实还看得见，只是暗一点。

对做透明件3D打印的读者若想要复刻这个技术，这句话的意思是表面质量直接决定对比度，抛不好，画面就发灰。

六个样件，启发新应用新商机

第一类应用最为广泛，能让东西自己显示使用状态。

共用试剂瓶谁用完谁拧，回头没人认账，瓶盖外圈直接顶着透镜层走，拧到底是对勾，松了就显示危险标志。

下图化学品试剂瓶

可以看到左为盖子未拧紧，瓶身显示危险标志；右为拧紧到位，切换成对勾

第二个案例是需要按动的笔。

透镜层挂在按帽上，图案层固定在笔杆，笔尖伸出来是一种花纹，收回去是另一种。

笔尖没收就丢进包里划破或者划脏内衬这种事，大概每个人都干过。

左为笔尖伸出，透镜层被按帽推移显示一种图案；右为收回，两层复位显示另一种

以上这两个例子都用平移面，一个额外结构都没加。

第二类应用非常有趣，完全不需要用电的显示和交互，这和我们前面读到文章时猜想的应用类似。

比如扇形门牌由一条直线绕轴回转生成，拨一下开关，在会议中和请进之间切换。

挂门上的电子牌总有没电的一天，而新物理显示机制完美解决这个问题。

拨动开关，同一块牌面在请进和会议中两条信息之间切换

下一个应用竟然是井字棋游戏玩具！

这个脑洞我们完全没想到，每格塞一个ShiftLens，旋钮转一档出圈，再一档出叉，回零空白，一整局下来一度电没用，也不用给玩具换纽扣电池。

每个格子一个旋钮，转动可在圈、叉、空白三态间循环

第三类应用是把动作本身变成可变化的画面。

我们一开始提到的口红正是如此。

口红管用滚轮，旋转出膏的同时外壳扫过一段渐变色，那个曲面是正弦曲线绕轴回转来的。

旋转口红膏体的同时，外壳沿正弦回转面扫过一段连续渐变色

另外就是家居产品，以蜡烛灯罩为例，用旋转加平移的组合面，转动滚轮，罩面上就显示跑起的一段火焰。

组合螺旋面配滚轮，转动时罩面呈现火焰状动画

这门生意的边界

我们想跃跃欲试复刻这个技术的第一步就被卡住了。

PolyJet的机器我们没有，而且全彩加透明材料的成本摆在那儿，拿它去跟丝印标签、贴纸抢通用件的活，并没有商业胜算。

我们思考了下，真正付得起钱的应该是那些宁可多花钱也不想通电的地方。

法兰、快接头、阀门、气瓶，防爆区和洗消区里插不了电也不敢插电，一个扛得住化学品和高压水枪冲洗的到位标识，溢价空间是存在的。

作者团队自己说下一步就是往管路上放大，让一段管子指出哪个接口在漏。

高端包装和美妆是我们非常看好的应用。

口红管随旋转变色这种效果注塑根本做不出来，而这个品类对单件成本的容忍度本来就高，包装本身就是体验的一部分。

医疗和一次性装置的使用指示，剂量到位、试剂盒插到底，逻辑上通我们也看好。

有类似设备能打印全彩+高透材料的读者强烈建议复刻尝试后与我们反馈您的全新应用。

回到开头那个问题。

现实生活中，几乎没人偷偷动你的口红。

口红也好，任何物体其实一直知道自己的状态。

只是它无法展示或言说。

过去要想显然任何物体的状态，代价是一颗电池、一块屏、一段代码、一个传感器。

按MIT研究，现在让物体会说话的代价，只是在表面上多了一层3D打印能滑动的透镜。

往大里看，这类研究的意义省的不只是电费，还有难以统计的、巨大的社会沟通成本。