要點:
麻省理工學院通過創新的體素技朮VIK系統，為交互式設備的原型設計提供了更加高效、靈活且可持續的解決方案，使得用戶無需復雜的專業知識即可快速創建和迭代功能性設備。
隨着科技的不斷進步，傳統的原型設計和生產方式正在迎來一場革命。從電子元件到機械結搆，越來越多的領域需要更靈活、高效且可持續的設計方法。尤其是在交互式設備的開發過程中，如何縮短設計周期、降低成本、并提高功能性和穩定性，成為了技朮創新的核心挑戰之一。
在大型結搆上進行集成電子設備的原型設計（例如制作一把能監測坐姿的智能椅子）通常是一個既耗時又費力的過程。
過去，為了完成這樣的任務，人們往往需要通過 3D 打印和激光切割制作多個版本的椅子結搆，這不僅會產生大量廢料，而且還需要組裝框架，將傳感器及其他易碎的電子元件安裝到位，再將它們連接起來，最終才能得到一個可用的設備。
然而，一旦原型制作失敗，就只能將其丟棄并重新開始設計。
如今，麻省理工學院的研究人員已經找到了一個更高效的方法，能夠快速迭代大型且堅固的交互式結搆設計。他們開發了一個快速開發平台，利用可重新配置的組件和集成電子元件，這些元件可以組合成復雜的功能性設備。
與傳統的將電子元件嵌入結搆不同，這一新系統將電子元件本身作為結搆的主體
這些被稱為“體素”/Voxels的輕質三維晶格組件，不僅強度高、剛度大，還具備傳感、響應和處理功能。即使沒有機械或電氣工程的專業知識，用戶也能快速制作出交互式電子設備。這些“體素”能夠隨意組裝、拆卸和重新配置，几乎沒有任何限制，能夠組合成各種形狀，每個“體素”的成本大約為50美分。
該原型平台名為“VIK”/Voxel Invention Kit，體素發明套件），由麻省理工學院的研究人員開發，包含了用戶友好的設計工具，支持從頭到尾的原型設計開發。通過這個平台，用戶可以模擬結搆在機械載荷下的反應，并根據需要對設計進行優化迭代。
麻省理工學院媒體藝朮與科學專業研究生、麻省理工學院比特與原子中心/CBA及媒體實驗室成員、VIK相關論文的共同第一作者Jack Forman表示，“這個平台的目標是讓功能性交互式設備的制作變得更加普及。無需依賴3D打印或激光切割，只需有‘體素’，你就能在任何地方制作出這些交互式結搆。”
Jack Forman與共同第一作者、研究生Miana Smith和Amira Abdel-Rahman，以及資深作者、麻省理工學院教授兼CBA主任Neil Gershenfeld 一同完成了這項研究。研究論文將發表於Conference on Human Factors in Computing Systems會議。
VIK系統：創新體素技朮助力交互式電子設備的開發
VIK系統是在麻省理工學院比特與原子中心多年研究的基礎上開發的，之前該團隊已研發出一種名為體素的離散蜂窩組件。每個體素由鋁材制成，釆用立方體和八面體的晶格結搆（包含八個三角形面和六個方形面），其強度非常高，能夠支撐高達228公斤的重量，相當於一架立式鋼琴的重力。
這些體素并不是通過3D打印、銑削或激光切割制造的，而是被組裝成大型且堅固的結搆，能夠用於像響應環境變化的飛機部件或風力渦輪機等應用。
麻省理工學院比特與原子中心的團隊將體素與其他電氣元件互聯的研究成果結合，創造了具備結搆電子學特性的體素。這些功能性體素的組合可以搆建出無需電線即可傳輸數據、電力和機械力的結搆。
研究人員正是基於這些機電模塊開發了VIK系統。“將我們之前達到嚴格工程標准的研究成果轉化為一個用戶友好、實用且易於操作的系統，這個過程充滿挑戰。”研究人員Smith說道。
例如，為了方便用戶組裝和拆卸，他們將體素的設計尺寸增大，讓人們可以輕松徒手組裝晶格結搆。同時，還為每個體素單元添加了鋁制交叉支撐，以增強強度和穩定性。
此外，VIK系統的體素釆用了可逆的卡扣連接方式，用戶無需任何工具即可輕松組裝，這與之前釆用鉚釘緊固的體素設計有很大的不同。
Smith對此表示，“我們設計的體素連接面只允許正確的連接方式。這意味着，只要使用體素搆建結搆，就能確保線路的正確性，設備組裝完成后，插上電源即可使用。”
值得注意的是，線束系統通常是功能性設備中高成本且故障頻發的部分，而 VIK 通過模塊化設計有效解決了這一問題。
簡化交互式設備設計：助力創客和創新者打造三維結搆
為了幫助沒有工程背景的用戶制作各種交互式設備，研究團隊開發了一個易於操作的界面，用於模擬3D體素結搆。
這個界面配備了有限元分析/FEA仿真模型，用戶可以在其中設計結搆，并模擬施加在結搆上的力和機械載荷。系統會通過為設備動畫上色，標出潛在的故障點，幫助用戶識別風險。
正如Forman所說，“這個界面本質上就像是體素版的‘我的世界’。用戶不需要具備專業的土木工程知識或桁架分析能力，就能評估自己設計的結搆是否安全。任何人都能用VIK制作設備，而且安全性有保障。”
VIK系統特別注重靈活性，創客們可以使用自己熟悉的微控制器，將現成的模塊（如揚聲器、傳感器或執行器）輕松集成到自己的設備中。
Molex公司先進電子封裝技朮經理評價道，“電子產品的下一次重大進步將發生在三維空間，而體素發明套件/VIK正是幫助用戶、設計師和創新者將電子元件融入結搆的橋梁。可以將VIK看作是樂高積木套件與電子實驗板的結合體，它能激發創意工程師和設計師在應用場景中的無限可能性，創造獨特的產品。”
更為重要的是，憑借設計工具提供的實時反饋，制作者可以快速調整體素配置、修改原型，甚至拆卸結搆來制作新產品。如果用戶不再需要這個設備，鋁制體素還可以完全回收再利用。
這種可重新配置、可回收的特性，加上體素高強度、高剛度、輕質量且集成了電子元件，使得VIK在臨時搭建場景中尤為適用，例如戲劇舞台上的定制布景，可以安全地支撐演員的表演，這些布景可能只會使用几天。此外，VIK在太空制造、智能建筑以及可持續城市智能基礎設施開發等領域也展現了廣闊的應用前景。
然而，對於研究團隊來說，接下來的關鍵任務是將VIK推向市場，看看用戶將用它創造出哪些新奇的產品。“現在這些模塊容易獲得，大家可以在日常生活中使用它們，我們期待看到人們用VIK創作出各種創意產品。” Forman補充道。
VIK系統的出現不僅是對傳統設計和制造流程的顛覆，更是對未來創新方式的深刻啟示。它打破了技朮門檻，讓更多沒有工程背景的創作者能夠參與到交互式設備的設計與制作中。通過這一平台，我們不再受限於復雜的生產工具和高昂的成本，而是通過簡單、靈活且模塊化的設計，讓每個人都能成為創造者。
無論是在藝朮、科技還是可持續發展領域，VIK的潛力都未被完全挖掘，它為我們展示了一個更加開放和協作的創意未來。在這個不斷變化的世界里，VIK代表了一種新的可能性：它讓科技與藝朮的結合變得更加觸手可及，也為未來的智能化、可持續城市建設提供了新的思路和路徑。
