要点:
麻省理工学院通过创新的体素技术VIK系统，为交互式设备的原型设计提供了更加高效、灵活且可持续的解决方案，使得用户无需复杂的专业知识即可快速创建和迭代功能性设备。
随着科技的不断进步，传统的原型设计和生产方式正在迎来一场革命。从电子元件到机械结构，越来越多的领域需要更灵活、高效且可持续的设计方法。尤其是在交互式设备的开发过程中，如何缩短设计周期、降低成本、并提高功能性和稳定性，成为了技术创新的核心挑战之一。
在大型结构上进行集成电子设备的原型设计（例如制作一把能监测坐姿的智能椅子）通常是一个既耗时又费力的过程。
过去，为了完成这样的任务，人们往往需要通过3D 打印和激光切割制作多个版本的椅子结构，这不仅会产生大量废料，而且还需要组装框架，将传感器及其他易碎的电子元件安装到位，再将它们连接起来，最终才能得到一个可用的设备。
然而，一旦原型制作失败，就只能将其丢弃并重新开始设计。
如今，麻省理工学院的研究人员已经找到了一个更高效的方法，能够快速迭代大型且坚固的交互式结构设计。他们开发了一个快速开发平台，利用可重新配置的组件和集成电子元件，这些元件可以组合成复杂的功能性设备。
与传统的将电子元件嵌入结构不同，这一新系统将电子元件本身作为结构的主体
这些被称为“体素”/Voxels的轻质三维晶格组件，不仅强度高、刚度大，还具备传感、响应和处理功能。即使没有机械或电气工程的专业知识，用户也能快速制作出交互式电子设备。这些“体素”能够随意组装、拆卸和重新配置，几乎没有任何限制，能够组合成各种形状，每个“体素”的成本大约为50美分。
该原型平台名为“VIK”/Voxel Invention Kit，体素发明套件），由麻省理工学院的研究人员开发，包含了用户友好的设计工具，支持从头到尾的原型设计开发。通过这个平台，用户可以模拟结构在机械载荷下的反应，并根据需要对设计进行优化迭代。
麻省理工学院媒体艺术与科学专业研究生、麻省理工学院比特与原子中心/CBA及媒体实验室成员、VIK相关论文的共同第一作者Jack Forman表示，“这个平台的目标是让功能性交互式设备的制作变得更加普及。无需依赖3D打印或激光切割，只需有'体素'，你就能在任何地方制作出这些交互式结构。”
Jack Forman与共同第一作者、研究生Miana Smith和Amira Abdel-Rahman，以及资深作者、麻省理工学院教授兼CBA主任Neil Gershenfeld 一同完成了这项研究。研究论文将发表于Conference on Human Factors in Computing Systems会议。
VIK系统：创新体素技术助力交互式电子设备的开发
VIK系统是在麻省理工学院比特与原子中心多年研究的基础上开发的，之前该团队已研发出一种名为体素的离散蜂窝组件。每个体素由铝材制成，釆用立方体和八面体的晶格结构（包含八个三角形面和六个方形面），其强度非常高，能够支撑高达228公斤的重量，相当于一架立式钢琴的重力。
这些体素并不是通过3D打印、铣削或激光切割制造的，而是被组装成大型且坚固的结构，能够用于像响应环境变化的飞机部件或风力涡轮机等应用。
麻省理工学院比特与原子中心的团队将体素与其他电气元件互联的研究成果结合，创造了具备结构电子学特性的体素。这些功能性体素的组合可以构建出无需电线即可传输数据、电力和机械力的结构。
研究人员正是基于这些机电模块开发了VIK系统。 “将我们之前达到严格工程标准的研究成果转化为一个用户友好、实用且易于操作的系统，这个过程充满挑战。”研究人员Smith说道。
例如，为了方便用户组装和拆卸，他们将体素的设计尺寸增大，让人们可以轻松徒手组装晶格结构。同时，还为每个体素单元添加了铝制交叉支撑，以增强强度和稳定性。
此外，VIK系统的体素釆用了可逆的卡扣连接方式，用户无需任何工具即可轻松组装，这与之前釆用铆钉紧固的体素设计有很大的不同。
Smith对此表示，“我们设计的体素连接面只允许正确的连接方式。这意味着，只要使用体素构建结构，就能确保线路的正确性，设备组装完成后，插上电源即可使用。”
值得注意的是，线束系统通常是功能性设备中高成本且故障频发的部分，而VIK 通过模块化设计有效解决了这一问题。
简化交互式设备设计：助力创客和创新者打造三维结构
为了帮助没有工程背景的用户制作各种交互式设备，研究团队开发了一个易于操作的界面，用于模拟3D体素结构。
这个界面配备了有限元分析/FEA仿真模型，用户可以在其中设计结构，并模拟施加在结构上的力和机械载荷。系统会通过为设备动画上色，标出潜在的故障点，帮助用户识别风险。
正如Forman所说，“这个界面本质上就像是体素版的'我的世界'。用户不需要具备专业的土木工程知识或桁架分析能力，就能评估自己设计的结构是否安全。任何人都能用VIK制作设备，而且安全性有保障。”
VIK系统特别注重灵活性，创客们可以使用自己熟悉的微控制器，将现成的模块（如扬声器、传感器或执行器）轻松集成到自己的设备中。
Molex公司先进电子封装技术经理评价道，“电子产品的下一次重大进步将发生在三维空间，而体素发明套件/VIK正是帮助用户、设计师和创新者将电子元件融入结构的桥梁。可以将VIK看作是乐高积木套件与电子实验板的结合体，它能激发创意工程师和设计师在应用场景中的无限可能性，创造独特的产品。”
更为重要的是，凭借设计工具提供的实时反馈，制作者可以快速调整体素配置、修改原型，甚至拆卸结构来制作新产品。如果用户不再需要这个设备，铝制体素还可以完全回收再利用。
这种可重新配置、可回收的特性，加上体素高强度、高刚度、轻质量且集成了电子元件，使得VIK在临时搭建场景中尤为适用，例如戏剧舞台上的定制布景，可以安全地支撑演员的表演，这些布景可能只会使用几天。此外，VIK在太空制造、智能建筑以及可持续城市智能基础设施开发等领域也展现了广阔的应用前景。
然而，对于研究团队来说，接下来的关键任务是将VIK推向市场，看看用户将用它创造出哪些新奇的产品。 “现在这些模块容易获得，大家可以在日常生活中使用它们，我们期待看到人们用VIK创作出各种创意产品。” Forman补充道。
VIK系统的出现不仅是对传统设计和制造流程的颠覆，更是对未来创新方式的深刻启示。它打破了技术门槛，让更多没有工程背景的创作者能够参与到交互式设备的设计与制作中。通过这一平台，我们不再受限于复杂的生产工具和高昂的成本，而是通过简单、灵活且模块化的设计，让每个人都能成为创造者。
无论是在艺术、科技还是可持续发展领域，VIK的潜力都未被完全挖掘，它为我们展示了一个更加开放和协作的创意未来。在这个不断变化的世界里，VIK代表了一种新的可能性：它让科技与艺术的结合变得更加触手可及，也为未来的智能化、可持续城市建设提供了新的思路和路径。
