牵动一根绳子就能展开这些复杂的结构

一种新方法可以使用户设计便携式医疗设备，如夹板，可以在不使用任何工具的情况下从平板快速转换为3D物体。

麻省理工学院的研究人员开发出一种设计三维结构的新方法：只需拉动一根绳子，就能把平面形状变成弯曲的完全成形的立体结构。这项技术可以在海啸等灾难现场快速部署临时野战医院——在这种场景下，快速展开医疗空间对挽救生命至关重要。研究人员的方法先把用户指定的三维结构转换成由相互连接的“瓷砖”组成的平面形状。算法采用两步法，寻找摩擦最小的绳索路径，这条路径一旦收紧，就能平稳驱动整个结构展开。驱动机制完全可逆：只要松开绳子，结构会迅速恢复到平面状态。这意味着复杂的立体结构可以更低成本、更高效率地储存和运输。此外，系统生成的设计与具体制造方式无关，无论是三维打印、CNC铣削、模塑还是其他工艺，都能把完整的结构生产出来。这种方法有望创造可移动医疗设备、能折叠进入狭窄空间的机器人，甚至让在火星表面作业的机器人搭建模块化空间栖息地。“整个驱动机制非常简单，是我们方法的最大优点。用户只需提供想要的设计，我们的算法就会完成优化；只要拉一下绳子，结构就能保持形状，松开后又能轻松收回。”论文第一作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系研究生阿克布·扎曼说。与扎曼一起撰写论文的还有麻省理工学院研究生杰奎琳·阿斯拉鲁斯、李佳吉博士后、计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）人机交互工程小组负责人斯特凡妮·米勒副教授，以及CSAIL算法设计组负责人、助理教授米娜·科纳科维茨基·卢科维奇。这项研究发表在亚洲计算机协会SIGGRAPH计算机图形学和交互技术会议与展览上。从古代艺术到算法 用平面片材制作可展开结构，可以简化现场组装，在自然灾害后建造紧急避难所时尤其有用。小尺度上，可折叠自行车头盔等产品也能提高骑行者的安全性，否则他们无法随身携带笨重的头盔。然而，把平面可展开物体转换成三维形状通常需要专用设备或多个步骤，驱动机制也很难逆转。“由于这些挑战，可展开结构往往是手工设计的，几何形状非常简单。但如果我们能创造更复杂的几何形状，同时简化驱动机制，就能提升这些结构的部署能力。”为此，研究人员开发了一种方法，可以自动把用户的三维设计转换成由“瓷砖”组成的平面结构，这些瓷砖通过角落的旋转铰链连接，只需拉动一根绳子就能完全展开。他们的方法先把用户设计分解成四边形瓷砖网格，灵感来自日本古代剪纸艺术“切纸”（kirigami）。通过特定方式切割材料，可以赋予其独特属性。这里，切纸被用来创造拉胀结构：拉伸时变厚，压缩时变薄。在把三维几何形状编码为一组平面拉胀瓷砖后，算法计算出必须提升的最少点位数量，以便充分展开成三维结构。接着，它找到连接这些提升点的最短路径，同时涵盖物体边界的所有区域，以引导结构进入三维状态。这样优化后的绳索路径能把摩擦降到最低，只需一次拉动就能平稳展开。“我们的方法对用户来说非常简单。他们只需输入设计，算法会自动处理其余步骤。然后，用户只要按照算法计算的方式制作瓷砖即可。”扎曼说。例如，可以使用多材料三维打印机制造结构，用柔性材料打印瓷砖的铰链，用硬材料打印其他表面。与尺度无关的方法 研究人员面临的最大挑战之一，是如何有效地模拟接近物理现实的绳索路径和绳索通道内的摩擦。“使用一些预制模型时，我们发现闭合边界瓷砖是成功展开的必要条件，绳索必须穿过它们。后来，我们用数学方法证明了这一观察结果。接着，我们回顾了一个古老的物理方程，并用它来制定摩擦最小化的优化问题。”他们把自动算法集成到交互式用户界面中，允许人们设计和优化配置，从而生成可制造的对象。研究人员用这种方法设计了多个不同大小的物体，从个性化医疗用品（包括夹板和姿势矫正器）到冰屋状的便携结构。他们还设计了一把可展开的人体尺寸椅子。这种方法与尺度无关，因此既可以制造微小的可展开物体（可注入人体内部并驱动），也可以制造建筑级结构（例如建筑物的框架，能用起重机在现场展开并驱动）。未来，研究人员希望进一步探索微型结构的设计，同时解决建筑装置中涉及的工程挑战，例如确定理想的缆绳厚度和铰链的必要强度。此外，他们还希望创造自部署机制，使结构无需由人或机器人驱动。这项研究部分由麻省理工学院研究支持委员会奖资助。