交互式“分叉电路”：MIT工程师打造可变形的智能设备构建系统

这套名为“分叉电路”的交互式积木可用于开发可重构的机器人抓手或定制化辅助设备。

一组新的模块化组件让用户能够创建可重构的智能设备，无论结构形成何种形状，电气连接都能持续工作。

这种电气模块化使工程师能够设计出无需外部导线即可感知自身形状的交互式设备。例如，这些被研究人员称为“分叉电路”的模块化组件可用于快速设计和原型化适应性智能设备，比如帮助受伤恢复期间的人改变身体姿势的辅助家具，或者在改变形状以适应不同应用时仍保持电气连接的可重构机器人抓手。

这些由MIT研究人员开发的3D打印积木属于一种被称为机械超材料的结构，与传统超材料结构相比，它们可以组合成更多可能的构型。

在一项介绍该系统的研究中，研究人员展示了多个交互式物体，包括一把可转换为带储物功能桌子的椅子，该椅子还可以展平以便收纳。该结构能够感知自身的构型，并向电子显示屏发送相应的信息。

如上图所示，顶部一行有两个类型的连接器模块，用于将单元相互连接。它们内部通过导电材料进行布线，使得连接的组件能够激活相邻单元之间的独特电路。

这些新型超材料还可用于设计通信和传感天线，使其在变化的环境条件下通过形成新形状来调整频率，而无需笨重的机械部件。

“超材料仅通过重复单元就能使复杂的机械装配变得易于制造。我们的工作扩展了这一设计空间。如果我们将机械超材料视为积木，那么我们的工作就是利用其几何特性将内在智能嵌入硬件的一种方式，这可能开启许多可能性，”Marwa AlAlawi说道，她是机械工程专业的研究生，也是相关论文的第一作者。

AlAlawi的合著者包括共同通讯作者Ticha Sethapakdi（MIT电气工程与计算机科学专业研究生）和Stefanie Mueller（MIT电气工程与计算机科学系及机械工程系副教授、计算机科学与人工智能实验室人机交互小组负责人）。其他合著者来自MIT、东京大学和密歇根大学。该研究将在ACM用户界面软件与技术研讨会上发表。

形状可变的交互式结构

机械超材料是由重复单元组成的可编程三维结构，由于其几何特性，可以形成复杂形状。当受到挤压、推动或拉伸时，超材料能够以精确的方式弯曲或扭转。

例如，“拉胀”超材料在拉伸时会变宽，而不是变窄。

在之前的工作中，MIT研究人员利用拉胀超材料构建了可重构天线，根据结构的拉伸方式形成三种形状。这使得天线能够动态调整其频率范围，而无需复杂的活动部件。

接下来，团队希望扩展天线构型的数量，但由于拉胀超材料只能形成三种固定状态而受到限制。

在这项工作中，他们创造了“分叉电路”，这是一种拉胀超材料，可以根据模块化单元的连接和旋转方式形成更多形状。

这些单元还被设计为电气模块化的。由于导电材料集成到分叉电路中的方式，无论物体如何旋转、按压或扭转以形成新形状，整个结构的电气连接都能得以维持。

如上图所示：可重构的Bifur电路模块可以被压缩、拉伸、旋转或弯曲，为设计交互式设备提供了多种选择。

为了创建具有多种可能构型的交互式物体，分叉电路利用了一种称为机械分岔的特性。

机械分岔是指当施加在机构上的力超过临界点时，机构行为发生突然变化的现象。例如，当你轻轻弯曲塑料尺的两端时，一旦力达到临界阈值，尺子就会屈曲。

在分叉电路中，当连接的模块以特定方式绕枢轴点旋转时，就会发生这种分岔现象。这一特性使得连接的模块能够形成比单个模块独自所能达到的更稳定的构型。

向结构中添加更多的分叉电路会以指数方式增加潜在构型的数量。

“分岔使我们能够显著扩展这个可重构空间。仅仅增加一个额外的单元，就能从同一结构中获得如此多的组合，”AlAlawi说道。

连接和旋转组件会激活相邻单元之间的独特电路。这种交互性使单元之间能够相互通信，从而使结构能够感知自身的构型。

研究人员面临的最大挑战之一是集成一种既足够柔韧可以弯曲、又能提供足够导电效率的导电材料。

“导电材料是我们在设计过程中必须克服的一个约束，它决定了模块之间的传感方式，”AlAlawi说道。

在完善设计后，研究人员通过将可重构结构压缩超过10000次来测试其耐久性。这些结构在电气连接方面没有表现出任何退化。

研究人员还开发了一个用户友好的构建和仿真工具，以简化分叉电路的设计流程。该软件为多材料3D打印机生成指令，可以在一次打印中制造出可重构物体。

他们通过制造一把能在形状变为茶几时感知自身几何形态的椅子，以及一个根据其构型启动不同视频游戏的变形控制器，展示了分叉电路的多功能性。

分叉电路未来可应用于交互式康复工具、模块化软体机器人的变形抓手，或在自然灾害后能响应环境条件变化的可重构庇护所等场景。

未来，研究人员希望探索分叉电路的更多应用。他们还希望为这些结构添加更多交互性，并研究其他超材料形状。

“分叉电路是朝着开发具有集成智能的机械积木迈出的一步。在这项工作的基础上继续探索，开发出能够让我们创建任意形状和形态的结构、且结构稳定并可驱动的积木，将是非常有意思的方向，”AlAlawi说道。

这项工作部分由日本科学技术振兴机构和巴林王储国际奖学金计划资助。

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