MIT CSAIL 与天津大学推出 X-Hinges 软件，可 3D 打印能感知动作的日常物品

小时候，你可能看过几部迪士尼电影，里面的钟表、杯子和玩具等无生命物体被描绘成人类的互动伙伴——这似乎纯粹是魔法。但麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的科学家们现在正在做类似的事情：将静止的物品转化为能够感知并响应人类动作以完成任务的自我感知工具。

工程师们用内置传感技术对这些动态物品进行了3D打印，使用导电材料在内部制作传感器和走线（有点像电线）。问题在于：这两个组件通常使用相同的材料制造，因此它们会发出相似的信号。这有点像同时听到两个广播电台，这种混杂很难解读。比如说，这会让一只向机械手传递如何抓取特定物体指令的手套感到困惑。该设备无法滤除噪声或验证用户动作的角度，导致人形学生犯错。

CSAIL和中国天津大学（TJU）的研究人员可能找到了一种3D打印更精确交互物品的方法。借助他们的“X-Hinges”软件，用户可以自定义设计，该工具会自动嵌入两种不同的材料：一种用于传感器的丝材，旨在发出尽可能强的信号；另一种用于不会产生干扰的类导线元件。交互信息不会在传递中丢失，这意味着用户可以制造出能够实时响应的物品，例如小型机器人、家居装饰、物体检测系统和玩具。

使用X-Hinges，用户可以通过选择和连接不同的形状来组装物品，然后选择某些部件如何移动。该物品不会像以前的方法那样仅限于一种移动方式；相反，用户最多可以选择三个“轴”：压缩、上下或左右。例如，在构建机械手时，你很可能希望它的指尖能够垂直和横向移动。然后，新工具会在物体弯曲处（在此例中为其关节）嵌入传感器，以从两个角度捕获运动数据。这样，一旦3D打印完成，设备就能更动态地理解和响应你的交互。

“这有点像给日常物品添加了意识元素，”麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）博士后、CSAIL研究员Jiaji Li说，他是介绍这项工作的论文的资深作者。“你得到的是更了解自己如何被使用、并有更多方式做出响应的物品。就像AI智能体被编程为根据我们的指令做出某些决策一样，这些创造物具有内置传感功能，能够自适应地响应人类触摸。”

Jiaji Li和第一作者、天津大学博士生、CSAIL访问研究员Xiang Chang使用X-Hinges创造了许多巧妙的设备。例如，他们制作了一只可以教机器人如何抓取积木的手套。它能适应用户手部的大小，然后通过传感器记录手指关节的弯曲方式，再迅速将这些信息传递给一个人形手进行模仿。这种手套在工厂或家庭中可能很有用，因为机器人经常需要快速学习新的交互方式。

研究人员还使用 X-Hinges 制作了一盏小型折纸风格台灯。它能感知人何时将其捏合关闭，并相应地调节亮度。当你打开这个自适应便携光源（有点像阅读灯）时，它看起来就像一张折叠的纸，随后展开成一盏灯。

X-Hinges 甚至能组装出可识别放置其上物体的设备。例如，你可以把一根香蕉放在上面，它几乎能立即根据传感器记录的触觉数据识别出这种水果。这种先进的物理感知能力可以集成到机场和杂货店等场所的检测系统中。

科学家每件作品的背后都有一个易于使用的界面，帮助用户从零开始设计交互式物体。用户可以选择设计中每个部分的外观和运动方式，就像研究人员制作那个形似卡通鲨鱼的视频游戏控制器时所做的那样。

X-Hinges 提供四种形状供选择：自定义选项、圆柱体、矩形和细轮廓。为了重现鲨鱼尾巴的独特外观，研究人员设计了自己的形状。然后他们选择了玩具的弯曲方式，让尾巴上下移动，有点像操纵杆。最后，程序嵌入了传感器，科学家们3D打印了他们的设备。

研究人员表示，与过去3D打印响应式日常物体的尝试相比，X-Hinges 的多样运动是一个新颖特性。“大多数方法只允许一个运动轴，通常是由于信号干扰。X-Hinges 能让你的3D打印物品从三个角度运动，”Chang说。“最终，你得到的设计具有你想要的预期运动。它还能同时记录每个区域中的运动数据，使设备能够响应不同类型的交互。”

该工具可以帮助实现看似平凡之物的未开发潜力。我们每天为特定目的使用的物品，比如用于喝水的水瓶或用于照明的台灯，都可以变成交互式小工具。就像聊天机器人使用某种数字智能来回答你的提示一样，物体也可以利用一种物理智能，在用户与其交互时执行物理任务。

不过，目前 X-Hinges 面临校准瓶颈。每次3D打印物品时，其电气元件布局都会略有不同，因此两个外观相同的设备可能不会产生相同的传感器读数。例如，如果你要为两个不同用户构建一个可变形健身手套，这一点至关重要。为了解决这个问题，Chang和Li构建了一个计算机视觉系统，可以重新校准输出以使其对齐，确保两个相同物品的数据准确一致，尽管他们希望未来开发一种内置信号重新校准机制。

这一雄心可以追溯到李家骥（Jiaji Li）自己研究中的主线：让驱动和传感直接在3D打印物体内部“生长”，而不是事后添加。他此前构建了打印的肌腱驱动机构，赋予物体运动能力；X-Hinges 则是他如今在传感能力基础上的进一步构建。他说，下一步是在一次打印中结合两者——驱动和传感在同一制造过程中共同诞生，为具身智能和AI智能体开辟新的物理平台。

Chang 和 Li 与 MIT 电子工程与计算机科学系副教授、CSAIL 首席研究员 Stefanie Mueller 以及最近毕业于 TJU 的 Haiyang Yan 共同撰写了这篇论文。他们的工作部分得到了浙江大学博士后研究奖学金和 MIT-GIST 项目的支持。

研究人员将于 11 月初在 ACM 用户界面软件与技术研讨会上展示他们的工作。