在大型結(jié)構(gòu)上進(jìn)行集成電子設(shè)備的原型設(shè)計(jì)（比如制作一把能監(jiān)測使用者坐姿的椅子），通常是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)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(gè)版本的椅子結(jié)構(gòu)，這會(huì)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(gè)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(jì)。

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(jì)大型且堅(jiān)固的交互式結(jié)構(gòu)。他們開發(fā)了一個(gè)快速開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)運(yùn)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(qiáng)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(jī)械或電氣工程專業(yè)知識(shí)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(gè)“體素”成本約為 50 美分。

圖｜名為“體素”的輕量級(jí)三維晶格構(gòu)建塊（來源：MIT News）

麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)的這個(gè)原型平臺(tái)名為“VIK”（Voxel Invention Kit，體素發(fā)明套件），包含用戶友好的設(shè)計(jì)工具，并支持端到端的原型設(shè)計(jì)開發(fā)。

借助這個(gè)工具，用戶能模擬結(jié)構(gòu)在機(jī)械載荷作用下的反應(yīng)，并根據(jù)需求對設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代優(yōu)化。

“這一平臺(tái)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究。這篇研究論文將在 Conference on Human Factors in Computing Systems 會(huì)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(gè)體素是由鋁制成的立方體八面體晶格結(jié)構(gòu)（有八個(gè)三角形面和六個(gè)方形面），它的強(qiáng)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。

圖｜鋁立方八面體晶格（來源：MIT News）

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(jiān)固且耐用的結(jié)構(gòu)，比如能對環(huán)境做出響應(yīng)的飛機(jī)部件或風(fēng)力渦輪機(jī)。

麻省理工學(xué)院比特與原子中心團(tuán)隊(duì)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(jī)械力的結(jié)構(gòu)。

研究人員正是利用這些機(jī)電模塊開發(fā)了 VIK 系統(tǒng)。“把我們之前那些達(dá)到嚴(yán)格工程標(biāo)準(zhǔn)的研究成果，轉(zhuǎn)化成一個(gè)對用戶友好、實(shí)用有趣且易于操作的系統(tǒng)，這個(gè)過程很有挑戰(zhàn)性。”Smith 說道。

例如，他們加大了體素的設(shè)計(jì)尺寸，讓人徒手就能輕松組裝和拆卸晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)還為體素單元添加了鋁制交叉支撐，以此增強(qiáng)其強(qiáng)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(jì)有很大區(qū)別。

Smith 表示：“我們設(shè)計(jì)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(jìn)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。”

（來源：MIT News）

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(xiàng)，也是故障多發(fā)環(huán)節(jié)，VIK 通過模塊化設(shè)計(jì)有效解決了這一問題。

便捷的原型開發(fā)平臺(tái)

為了幫助那些沒有工程知識(shí)背景的用戶制作各種交互式設(shè)備，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)便于操作的界面，用于模擬 3D 體素結(jié)構(gòu)。

這個(gè)界面包含一個(gè)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(jī)械載荷。系統(tǒng)會(huì)通過給用戶設(shè)備的動(dòng)畫添加顏色，來標(biāo)識(shí)潛在的故障點(diǎn)。

按照 Forman 的說法，“我們打造的這個(gè)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(shí)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。”

（來源：MIT News）

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(yáng)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(jìn)電子封裝技術(shù)經(jīng)理 Victor Zaderej 評價(jià)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(jì)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(shí)驗(yàn)板的結(jié)合體，當(dāng)創(chuàng)意工程師和設(shè)計(jì)師開始思考應(yīng)用場景時(shí)，它能激發(fā)無限可能性和獨(dú)特產(chǎn)品。”

更為關(guān)鍵的是，借助設(shè)計(jì)工具的實(shí)時(shí)反饋，制作者能快速更改體素的配置，對原型進(jìn)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(gè)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(qiáng)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(shí)搭建的場景，比如戲劇舞臺(tái)，用可定制的布景安全地支撐演員在舞臺(tái)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(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速原型設(shè)計(jì)，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。“現(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(bǔ)充道。

https://news.mit.edu/2025/new-platform-lets-anyone-rapidly-prototype-large-sturdy-interactive-structures-0318