在大型結(jié)構(gòu)上進行集成電子設(shè)備的原型設(shè)計（比如制作一把能監(jiān)測使用者坐姿的椅子），通常是一個費時費力的過程。
以往，人們可能得通過 3D 打印和激光切割，制作多個版本的椅子結(jié)構(gòu)，這會產(chǎn)生大量廢料。之后再組裝框架，把傳感器和其他易碎的電子設(shè)備安裝上去，最后連接起來，才能得到一個可用的設(shè)備。
然而，一旦原型制作失敗，那就只能把它扔掉，然后重新開始設(shè)計。
如今，麻省理工學(xué)院的研究人員找到了一種更好的方法，能快速迭代設(shè)計大型且堅固的交互式結(jié)構(gòu)。他們開發(fā)了一個快速開發(fā)平臺，該平臺運用可重新配置的組件和集成電子元件，這些電子元件能組裝成復(fù)雜的功能性設(shè)備。
需要注意的是，與傳統(tǒng)將電子元件嵌入結(jié)構(gòu)不同，該系統(tǒng)讓電子元件本身成為結(jié)構(gòu)主體。
這些輕質(zhì)的三維晶格組件被稱為“體素”（Voxels），不僅強度高、剛度大，還具備集成傳感、響應(yīng)和處理能力，就算沒有機械或電氣工程專業(yè)知識的用戶也能快速制作出交互式電子設(shè)備。
這些“體素”的組裝、拆卸和重新配置幾乎不受任何限制，能組合成各種形狀，而且每個“體素”成本約為 50 美分。
麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)的這個原型平臺名為“VIK”（Voxel Invention Kit，體素發(fā)明套件），包含用戶友好的設(shè)計工具，并支持端到端的原型設(shè)計開發(fā)。
借助這個工具，用戶能模擬結(jié)構(gòu)在機械載荷作用下的反應(yīng)，并根據(jù)需求對設(shè)計進行迭代優(yōu)化。
“這一平臺旨在讓功能性交互式設(shè)備的制作更加普及。無需 3D 打印或激光切割，使用‘VIK’，只要有‘體素’，你就能在任何你想的地方制作這些交互式結(jié)構(gòu)?！?麻省理工學(xué)院媒體藝術(shù)與科學(xué)專業(yè)研究生、麻省理工學(xué)院比特與原子中心（CBA）及媒體實驗室成員、VIK 相關(guān)論文的共同第一作者 Jack Forman 說道。
Forman 與共同第一作者、研究生 Miana Smith 和 Amira Abdel - Rahman，以及資深作者、麻省理工學(xué)院教授兼 CBA 主任 Neil Gershenfeld 共同完成了這項研究。這篇研究論文將在 Conference on Human Factors in Computing Systems 會議上發(fā)表。
功能模塊
VIK 是在麻省理工學(xué)院比特與原子中心多年研究的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，此前他們開發(fā)了一種名為體素的離散蜂窩組件。每個體素是由鋁制成的立方體八面體晶格結(jié)構(gòu)（有八個三角形面和六個方形面），它的強度很高，能支撐 228 公斤的重量，差不多相當(dāng)于一架立式鋼琴的重量。
體素并非通過 3D 打印、銑削或激光切割制成，而是被組裝成大型、堅固且耐用的結(jié)構(gòu)，比如能對環(huán)境做出響應(yīng)的飛機部件或風(fēng)力渦輪機。
麻省理工學(xué)院比特與原子中心團隊將體素與其他以互連電氣元件為核心的研究成果相結(jié)合，創(chuàng)造出了具備結(jié)構(gòu)電子學(xué)特性的體素。把這些功能性體素組裝起來，就能形成一種無需電線，既能傳輸數(shù)據(jù)、電力，又能傳遞機械力的結(jié)構(gòu)。
研究人員正是利用這些機電模塊開發(fā)了 VIK 系統(tǒng)。“把我們之前那些達到嚴格工程標準的研究成果，轉(zhuǎn)化成一個對用戶友好、實用有趣且易于操作的系統(tǒng)，這個過程很有挑戰(zhàn)性?！盨mith 說道。
例如，他們加大了體素的設(shè)計尺寸，讓人徒手就能輕松組裝和拆卸晶格結(jié)構(gòu)，同時還為體素單元添加了鋁制交叉支撐，以此增強其強度和穩(wěn)定性。
此外，VIK 體素采用了可逆的卡扣連接方式，用戶無需額外工具就能輕松組裝，這和之前一些用鉚釘作緊固件的體素設(shè)計有很大區(qū)別。
Smith 表示：“我們設(shè)計的體素連接面，只允許正確的連接方式。這就意味著，只要你用體素進行構(gòu)建，就能確保搭建的線路正確無誤。設(shè)備組裝完成之后，直接插上電源就能用。”
值得一提的是，線束系統(tǒng)通常是功能型設(shè)備的高成本項，也是故障多發(fā)環(huán)節(jié)，VIK 通過模塊化設(shè)計有效解決了這一問題。
便捷的原型開發(fā)平臺
為了幫助那些沒有工程知識背景的用戶制作各種交互式設(shè)備，研究團隊開發(fā)了一個便于操作的界面，用于模擬 3D 體素結(jié)構(gòu)。
這個界面包含一個有限元分析（FEA）仿真模型，用戶可以在上面繪制結(jié)構(gòu)，并模擬施加在結(jié)構(gòu)上的力和機械載荷。系統(tǒng)會通過給用戶設(shè)備的動畫添加顏色，來標識潛在的故障點。
按照 Forman 的說法，“我們打造的這個界面本質(zhì)上就像是體素版的‘我的世界’。用戶不需要多專業(yè)的土木工程知識或桁架分析能力，就能判斷自己制作的結(jié)構(gòu)是否安全。任何人都能借助 VIK 制作東西，而且安全性也有保障。”
VIK 非常注重靈活性，創(chuàng)客們可以使用自己熟悉的微控制器，能輕松將現(xiàn)成的模塊，像揚聲器、傳感器或執(zhí)行器等，集成到自己的設(shè)備中。
Molex 公司先進電子封裝技術(shù)經(jīng)理 Victor Zaderej 評價道：“電子產(chǎn)品的下一次重大發(fā)展將在三維空間展開，而體素發(fā)明套件（VIK）正是幫助用戶、設(shè)計師和創(chuàng)新者將電子元件直接融入結(jié)構(gòu)的橋梁。想象一下，可以把 VIK 看作是樂高積木套件和電子實驗板的結(jié)合體，當(dāng)創(chuàng)意工程師和設(shè)計師開始思考應(yīng)用場景時，它能激發(fā)無限可能性和獨特產(chǎn)品?！?/p>
更為關(guān)鍵的是，借助設(shè)計工具的實時反饋，制作者能快速更改體素的配置，對原型進行調(diào)整，或者拆卸結(jié)構(gòu)制作新的產(chǎn)品。要是用戶最后不想用這個設(shè)備了，鋁制體素還能完全回收利用。
這種可重新配置、可回收的特性，再加上體素強度高、剛度大、質(zhì)量輕且集成了電子元件，使 VIK 特別適合需要臨時搭建的場景，比如戲劇舞臺，用可定制的布景安全地支撐演員在舞臺上表演，而這些布景可能只用幾天就不再使用了。
此外，通過實現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速原型設(shè)計，VIK 在太空制造、智能建筑以及可持續(xù)城市智能基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
不過，對于研究人員來說，也許接下來最重要的就是將 VIK 推向市場，看看用戶能利用它創(chuàng)造出什么?！艾F(xiàn)在這些模塊很容易獲取，人們可以在日常生活中使用它們，期待看到大家用 VIK 來制作各種創(chuàng)意產(chǎn)品。” Forman 補充道。
https://news.mit.edu/2025/new-platform-lets-anyone-rapidly-prototype-large-sturdy-interactive-structures-0318
熱門跟貼