麻省理工學院團隊開發可感知人類動作的 3D 列印物件軟件

研究人員開發了一種軟件，能夠使 3D 列印物件感知並回應人類動作。這套系統名為 X-Hinges，自動嵌入傳感器和由不同材料製成的導電通道，以提高信號準確性並減少幹擾。該軟件允許用戶通過連接形狀和選擇最多三個運動軸來自定義物件，並在彎曲點放置傳感器以跟蹤運動。這種方法有望使互動裝置成為可能，包括機械手、家庭用品、玩具和物體檢測系統。

X-Hinges 是由麻省理工學院（MIT）和中國天津大學的研究人員共同開發的設計軟件，能夠使 3D 列印物件感知運動並回應人類互動。該技術在製造過程中將傳感器和導電通道直接整合到物件中，使其能夠在多個軸上檢測運動。這個系統針對製造互動物件的一個主要挑戰進行了改進：傳感器產生的電信號與導電通道之間的幹擾。通過為這些元件使用不同的材料，X-Hinges 提高了感知的準確性，並使物件能夠同時捕捉多種運動。

展示多種原型技術

研究人員通過幾個原型展示了這項技術，包括一個能夠將人手動作轉移到機械手的手套、一個能夠對觸摸作出反應的自適應燈，以及一個能夠利用觸覺數據識別物體的裝置。傳感器能夠檢測物理變化，如彎曲或壓縮，並將其轉換為電信號。導電通道將這些信號傳遞到處理數據的電子元件。如果兩個元件使用相同的導電材料，其電響應可能變得難以區分。這種幹擾會降低感知準確性，使設備難以確定特定區域的移動情況。

X-Hinges 通過自動將兩種不同材料納入設計來解決這個問題。一種材料用於傳感器並被選擇以產生強信號，而另一種則用於創建旨在最小化幹擾的導電通道。這種分離幫助系統更可靠地區分傳感器讀數，使物件能夠實時回應人類輸入。該軟件還提供了一個界面，用於創建互動物件，通過選擇和連接形狀以及定義其元件的運動來實現。用戶可以選擇圓柱體、矩形、細邊輪廓或自定義幾何形狀，並指定最多三個運動軸。

例如，機械手可能需要其指尖上下和側向移動。X-Hinges 可以在關節處嵌入傳感器，以捕捉沿兩個軸的運動，提供數據以幫助另一個機械手重現用戶的動作。

研究人員使用 X-Hinges 開發了一個手套，能夠記錄用戶手指關節的彎曲並將運動數據傳輸到機械手。該手套設計適應不同的手型，可能幫助機器人從人類示範中學習抓取動作，潛在應用於工廠和家庭。另一個原型是一個可折疊的燈，能夠檢測到有人將其捏緊並根據需要調整其亮度。團隊還創建了一個觸覺感測裝置，能夠根據放置在其上的物品的傳感器數據識別物體，例如香蕉。

面臨的校準挑戰

一個形狀像卡通鯊魚的影片遊戲控制器展示了該軟件的定製設計能力。研究人員配置其尾部上下移動，使其能夠類似於操控桿的功能。儘管具備這些能力，X-Hinges 仍面臨校準挑戰。在 3D 列印過程中，電氣元件的微小排列變化可能導致外觀相同的物件產生不同的傳感器讀數。為瞭解決這個問題，研究人員開發了一個計算機視覺系統，以重新校準傳感器輸出，從而提高設備之間的一致性。他們希望在未來版本中開發一個集成的重新校準機制。

這項研究建立在之前創造能夠運動的 3D 列印機構的努力之上。團隊的長期目標是將感知和執行整合在單一的列印過程中，使物件能夠同時感知互動並執行物理動作。

X-Hinges 在互動裝置中的潛力

X-Hinges 軟件的開發標誌著 3D 列印技術的一次重要進步，能夠將感知能力融入物件中，這對於未來的互動裝置具有深遠影響。通過解決傳感器和導電通道之間的幹擾問題，研究人員為多種應用提供了可能性，包括機械手和智能家居產品。這種技術不僅能提升人機互動的精準度，還能促進機器人學習和適應人類行為，進一步推動自動化和智能化的進程。