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人机交互黑科技让书中蝴蝶起舞

当我们在观看科幻电影时,有时会看到大致这样的情景:

一位美丽可爱的小女孩悄悄地打开了一本童话书,书中原本静态、平面的图画突然就在纸面上跳动了起来,成为了栩栩如生、三维的真实物体......

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(来源:Pixabay)

如今,这一科幻场景或将很快成为现实了。

近日,来自科罗拉多大学博尔德分校(CU Boulder)ATLAS 研究所的科学家团队,利用电液压软体机器人技术成功开发出了一个可变形物体系统 Electriflow,其 “设计产品” 从可以弯曲脖子的千纸鹤、栩栩如生的米老鼠,到按一下按钮就能摆动的花瓣,以及翩翩起舞的纸蝴蝶,着实令人眼花缭乱,这些可变形物体不仅触感逼真、薄如纸张,还能快速移动,而且运动过程中几乎不会发出任何声音。

日前,该团队在计算机协会 ACM 2021 年设计交互系统(DIS)会议上展示了这一成果,相关研究论文也以 “Electriflow: Soft Electrohydraulic Building Blocks for Prototyping Shape-changing Interfaces” 为题发表在 The ACM Digital Library 上。

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(来源:The ACM Digital Library)

“这个系统非常接近我们在自然界中看到的情况。我想,我们正在突破人类与机器交互方式的界限。” 该项目的负责人、CU Boulder 的研究生 Purnendu 说。

不仅如此,研究团队还专门研发出了配套的软件工具,用于类似产品(比如可变形手机和可变形碗)的可变化形状界面的设计、可视化和制作。

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| 一种柔性显示器模型:当手机收到通知时,手机会向上弯曲,无声地将信息呈现给用户(来源:该论文)

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 图 | 可以根据需要切换深、浅形态的水果碗模型(来源:该论文)

设计灵感来自哪儿?

与传统的可自运转的设计不同,Electriflow 的设计并不需要任何电动发动机或其他传统机器部件来实现。

实际上,研究团队的灵感来源于一种名为 “人造肌肉” 的电液压控制技术,这是一种被称为液压放大自愈静电(hydraulically amplified self-healing electrostatic,HASEL)执行器的技术。

与由刚性金属制成的传统机器人部件不同,HASEL 执行器从流体中获得动力。打个比方,该执行器可以依靠静电力使密封塑料袋中的硅油流动起来,硅油在其中作为电介质流体,就像人们挤压番茄酱包一侧时,其形状也会相应产生变化。

“这些执行器的用途非常广泛,它们其实就是一个个小袋子,通过改变袋子的形状,其上的图案就能‘活动起来’、完成各种不同类型的运动。” 论文作者之一 Acome 解释道。

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| 栩栩如生的米老鼠(来源:该论文)

实际上,科学家们此前已经尝试过使用这种设计模仿自然界,例如通过改变形状模仿各种生物(比如河豚或捕蝇草)从而吓跑捕食者或者捕获猎物。但正如 Purnendu 所说:“尽管对于某些动物来说,变换身体形状是进行交流和维持生存的重要方式之一,但目前的技术仍存在速度慢、噪音大、体积大等局限性。从这个角度来看,我们是在尝试利用计算机技术开发类似的形状变换功能。”

于是,Electriflow 应运而生。在没有外部流体供应源的情况下在静电激活时即时产生液压,从而实现简单紧凑的独立设计。而且通过使用软体材料,最终制成的产品触感柔软,效果也更加逼真。

如何实现不同的动作?

不过,要想利用上述电液压机制完成静态物体的移动,首先需要根据不同的移动需求,制作出相应的致动器。为此,研究团队专门制作了三种致动器,分别被称为 “铰链形(Hinge-Bending)”、“月牙形(Crescent)” 和 “弦月形(Quarter-moon)” 致动器。

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| 三种致动器的工作状态变化及其对应的实验图像(来源:该论文)

其中,铰链形致动器主要由四部分组成:不可拉伸软袋(紫色)、刚性应变限制层(深灰色)、可膨胀区域(蓝色)以及电极。当输入液压时,静电力驱动电极以拉链运动的方式逐渐相互靠近,这种拉链运动将电介质流体移动到可膨胀区域中。于是,随着外加电压的增加,物体特定部位出现折角,直到电极之间的静电力和恢复液压之间达到平衡。

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| 致动器产生移动示意图(来源:该论文)

月牙形致动器和弦月形致动器工作原理类似,不过与铰链形不同,这两种致动器产生的不是突变的折痕状变化,而是平滑的曲线状移动,以应用于其他需要弧形运动的情况。其中,月牙形致动器可产生的最大弯曲角约为 60°,而弦月形致动器可产生约 40° 的弯曲,由此满足于不同的弯曲和移动需求。

扇动翅膀,翩翩起舞

致动器做好了,如何验证其效果呢?

研究团队首先想到的是模拟蝴蝶:“通常,关于蝴蝶的书都是静态的,那么能不能让书中的蝴蝶‘活过来’并扇动翅膀呢?”

最终实验结果证明,这完全是可能的 —— 实验中,研究团队将弦月形致动器嵌入纸蝴蝶中,并开始增加电液压,出人意料的是,这款 Electriflow 蝴蝶不仅完全可以自行扇动翅膀,而且速度极快,能够以大约每秒 25 次的最高速度扇动翅膀,这比大多数真实的蝴蝶都要快,甚至可媲美于一些速度更快的飞蛾。

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| 正在扇动翅膀的折纸蝴蝶

未来,研究团队希望更多的艺术家和设计师能够使用该团队开发的工具来进一步突破人机交互的界限。

想象有一天,我们不仅仅是在书上看到会动的小昆虫等,还能看到更多折叠成各种形状的动物从任意纸张、塑料板等中 “跃” 出,跑跑跳跳,其乐融融。

参考资料:

https://www.colorado.edu/today/2021/07/20/origami-comes-life-new-shape-changing-materials

https://dl.acm.org/doi/10.1145/3461778.3462093

 

 


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