麻省理工学院新型“分叉电路”让智能设备变形时不断电 - The Brighter Side of News

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麻省理工学院新型“分叉电路”让智能设备变形时不断电 新型3D打印超材料模块可在保持电气连接并识别每种配置的情况下重塑自身。

麻省理工学院的研究人员开发出一种3D打印模块，该模块可以变成多种形状，同时在整个结构中保持电气连接。

这些被称为“分叉电路（bifur-circuits）”的模块化超材料能够识别自身的配置，使家具、控制器和其他设备在形状改变时能够做出响应。

测试表明，导电连接在超过10,000次压缩循环后依然完好，尽管目前较大的组件需要更长的时间来识别其完整形状。

一把椅子可以变成桌子，折叠平放以便存放，并且仍然能识别自己变成了哪种形态。相同的基础模块可以创建一个控制器，根据其形状启动不同的游戏。

这两种设备背后是一种新型3D打印机械超材料，它将物理重构与电气连接结合在一起。

麻省理工学院的研究人员将该系统称为“分叉电路”。与许多模块化结构不同，当组件旋转、压缩、拉伸或弯曲成不同配置时，其电气连接依然保持完整。该结构还能检测这些配置，而无需在其模块之间使用外部电线。

这项工作由机械工程研究生马尔瓦·阿拉维（Marwa AlAlawi）领导，将在ACM用户界面软件与技术研讨会（ACM Symposium on User Interface Software and Technology）上发表。来自麻省理工学院、东京大学和密歇根大学的研究人员参与了此项工作。

“超材料只需使用重复单元即可使复杂的机械组件易于制造。我们的工作扩展了这一设计空间。如果我们将机械超材料视为模块，那么我们的工作就是利用其几何形状将内在智能嵌入硬件的一种方法，这可能会开辟许多可能性，”阿拉维说。

为超材料构建更多可能性

机械超材料是指其行为主要取决于重复单元几何形状的结构。改变这些单元可以使结构以精心控制的方式弯曲、扭曲或变形。

麻省理工学院团队专注于拉胀超材料（auxetic metamaterials）。与普通材料在拉伸时变窄不同，拉胀结构在拉伸时会变宽。

在早期的工作中，研究人员使用拉胀超材料创建了可重构天线。这些天线可以采用三种形状，使其频率范围随着几何形状的改变而改变。

但三种状态呈现出明显的局限性。

分叉电路通过将模块化结构与一种称为机械分叉（mechanical bifurcation）的现象相结合，扩展了这一范围。当结构达到临界阈值后突然改变其行为时，就会发生分叉。

塑料尺子提供了一个简单的例子。逐渐弯曲它，它会抵抗外力，直到达到一个点，它会突然弯曲。

通过分叉电路，连接的模块可以绕枢轴点旋转并稳定在新的配置中。增加单元数量会使可能的配置数量呈指数级增加。

“分叉使我们能够显著扩展这个可重构空间。仅仅增加一个额外的单元，就能从同一结构中获得更多的组合，”阿拉维说。

了解自身形状的结构

创造更多形状只是挑战的一部分。研究人员还希望这些物体能够识别它们是如何配置的。

每个超材料单元在特定状态下接触的部分都包含导电材料。将这些表面结合在一起会激活一个独特的电路。

然后，信息可以通过连接的组件移动，使系统能够映射其各个单元的状态并确定其整体形状。

这种集成解决了许多模块化系统的一个局限性。机械组件可能是可重新排列的，而电气部件则需要单独的布线或重新组装。

分叉电路结合了这两种功能。

模块和连接器在非导电结构材料内部包含导电路径。它们的接头在允许物理运动的同时提供电气接触。

一个主要挑战是寻找一种足够柔韧的导电材料，能够在反复弯曲中存活下来，同时不会使电力传输变得不切实际。

“导电材料是我们在设计过程中必须克服的一个限制，它决定了模块之间的传感将如何进行，”阿拉维说。

电气连接经受住10,000次循环

团队对该设计进行了重复的机械测试。

研究人员以不同的方向对超材料样本进行了10,000次压缩，并定期测量电阻。这些结构在整个测试过程中保持了机械和电气连接。

随着组件变大，形状识别变慢。

在涉及20个连接单元的测试中，识别完整拓扑大约需要5秒钟。检测时间随着连接数量的增加而线性增加，这反映了通信方法以及3D打印导电材料中的电阻。

这种导电材料也造成了另一个限制。其电阻阻碍了大型组件中可靠的电力传输。

目前，每个连接器都携带自己的可充电锂聚合物电池。研究人员报告称，在持续传感期间可运行约45分钟。他们建议，未来的柔性导体最终可能允许一个模块为整个结构供电。

从椅子到游戏控制器

为了在人类尺度上展示该系统，研究人员使用24个超材料单元和24个连接器模块构建了可重构家具。

完全展开时，该结构变成一张茶几。缩回另一种配置时，它形成一把底部带储物空间的椅子。拆下并旋转角部连接器，家具就会折叠成可以存放的扁平形状。

该结构能够识别这些变化并更新电子显示屏以匹配其当前用途。

第二个演示将该技术变成了可重构的游戏控制器。一种配置充当方向盘握把并启动赛车游戏。另一种变成用于洗车互动的海绵状模块。像泵一样压缩它可控制轮胎充气活动。

团队还创建了一个基于Fusion 360的设计工具和形状识别软件。多材料3D打印机可以制造结构的导电和非导电部分。

可重构机器人和辅助设备或将随之而来

研究人员看到了家具和控制器之外的更多可能性。

分叉电路可以形成适应性康复设备、可重构机器人夹爪或在自然灾害后改变配置的避难所。相关的超材料设计还可以支持改变形状以调整工作频率的天线。

仍存在一些障碍。软件可以识别弯曲，但尚未进行视觉模拟。较大的结构需要更长的时间来映射，并且导电材料限制了电力分配。

未来的版本可以增加电容式触摸传感器、加速度计或惯性测量单元。研究人员还希望研究三角形、六边形、矩形和弯曲的组件。

对阿拉维来说，更大的目标是推动机械结构超越单纯的形状改变。

“分叉电路是开发具有集成智能的机械模块的一步。在此基础上进行扩展，并提出能够让我们创建任何想要形式或形状的结构，并且在结构上稳定且可驱动的模块，将会非常有趣，”她说。

资讯来源

- thebrighterside.news (2026-08-31) - 原文：麻省理工学院新型“分叉电路”让智能设备变形时不断电 - The Brighter Side of News - https://thebrighterside.news/post/mits-new-bifur-circuits-let-smart-devices-change-shape-without-losing-power