麻省理工学院团队开发可感知人类动作的 3D 打印物件软件

研究人员开发了一种软件，能够使 3D 打印物件感知并回应人类动作。这套系统名为 X-Hinges，自动嵌入传感器和由不同材料制成的导电通道，以提高信号准确性并减少干扰。该软件允许用户通过连接形状和选择最多三个运动轴来自定义物件，并在弯曲点放置传感器以跟踪运动。这种方法有望使互动装置成为可能，包括机械手、家庭用品、玩具和物体检测系统。

X-Hinges 是由麻省理工学院（MIT）和中国天津大学的研究人员共同开发的设计软件，能够使 3D 打印物件感知运动并回应人类互动。该技术在制造过程中将传感器和导电通道直接整合到物件中，使其能够在多个轴上检测运动。这个系统针对制造互动物件的一个主要挑战进行了改进：传感器产生的电信号与导电通道之间的干扰。通过为这些元件使用不同的材料，X-Hinges 提高了感知的准确性，并使物件能够同时捕捉多种运动。

展示多种原型技术

研究人员通过几个原型展示了这项技术，包括一个能够将人手动作转移到机械手的手套、一个能够对触摸作出反应的自适应灯，以及一个能够利用触觉数据识别物体的装置。传感器能够检测物理变化，如弯曲或压缩，并将其转换为电信号。导电通道将这些信号传递到处理数据的电子元件。如果两个元件使用相同的导电材料，其电响应可能变得难以区分。这种干扰会降低感知准确性，使设备难以确定特定区域的移动情况。

X-Hinges 通过自动将两种不同材料纳入设计来解决这个问题。一种材料用于传感器并被选择以产生强信号，而另一种则用于创建旨在最小化干扰的导电通道。这种分离帮助系统更可靠地区分传感器读数，使物件能够实时回应人类输入。该软件还提供了一个界面，用于创建互动物件，通过选择和连接形状以及定义其元件的运动来实现。用户可以选择圆柱体、矩形、细边轮廓或自定义几何形状，并指定最多三个运动轴。

例如，机械手可能需要其指尖上下和侧向移动。X-Hinges 可以在关节处嵌入传感器，以捕捉沿两个轴的运动，提供数据以帮助另一个机械手重现用户的动作。

研究人员使用 X-Hinges 开发了一个手套，能够记录用户手指关节的弯曲并将运动数据传输到机械手。该手套设计适应不同的手型，可能帮助机器人从人类示范中学习抓取动作，潜在应用于工厂和家庭。另一个原型是一个可折叠的灯，能够检测到有人将其捏紧并根据需要调整其亮度。团队还创建了一个触觉感测装置，能够根据放置在其上的物品的传感器数据识别物体，例如香蕉。

面临的校准挑战

一个形状像卡通鲨鱼的影片游戏控制器展示了该软件的定制设计能力。研究人员配置其尾部上下移动，使其能够类似于操控杆的功能。尽管具备这些能力，X-Hinges 仍面临校准挑战。在 3D 打印过程中，电气元件的微小排列变化可能导致外观相同的物件产生不同的传感器读数。为了解决这个问题，研究人员开发了一个计算机视觉系统，以重新校准传感器输出，从而提高设备之间的一致性。他们希望在未来版本中开发一个集成的重新校准机制。

这项研究建立在之前创造能够运动的 3D 打印机构的努力之上。团队的长期目标是将感知和执行整合在单一的打印过程中，使物件能够同时感知互动并执行物理动作。

X-Hinges 在互动装置中的潜力

X-Hinges 软件的开发标志着 3D 打印技术的一次重要进步，能够将感知能力融入物件中，这对于未来的互动装置具有深远影响。通过解决传感器和导电通道之间的干扰问题，研究人员为多种应用提供了可能性，包括机械手和智能家居产品。这种技术不仅能提升人机互动的精准度，还能促进机器人学习和适应人类行为，进一步推动自动化和智能化的进程。