麻省理工学院工程师开发出一套模块化组件系统，能够用于构建可重构智能设备，使其在变换任意形状时始终保持稳定的电气连接。
这种电气模块化特性，使工程师无需借助外部线路，便能设计出可感知自身当前形态的交互式设备。研究人员将这些模块化组件命名为"bifur-circuits"（分叉电路）。它们可快速设计并原型化各类自适应智能设备，例如帮助伤病康复患者调整体位的辅助家具，以及在切换不同应用场景时依然保持电气连接的可重构机器人抓手。
这些由麻省理工学院研究团队开发的3D打印积木式结构，属于一种被称为"机械超材料"的结构形式，相较于传统超材料结构，可组合出更多种类的配置形态。
在一项展示该系统的研究中，研究人员演示了多个交互式物体，其中包括一把可变形为带储物功能茶几的椅子，同时也能展平以便收纳。该结构能够感知自身的形态配置，并将相应信息发送至电子显示屏。
这种新型超材料还可用于设计通信与传感天线，使其在环境条件变化时通过形态重塑来调整工作频率，而无需复杂笨重的机械部件。
"超材料仅靠重复单元就能让复杂机械组件的制造变得简单。我们的工作进一步拓展了这一设计空间。如果把机械超材料看作积木，那么我们的工作就是利用其几何特性，将内在智能嵌入硬件的一种方式，这将开辟出许多可能性。"机械工程专业研究生、该论文第一作者Marwa AlAlawi表示。
论文的共同通讯作者包括：麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）专业研究生Ticha Sethapakdi，以及EECS与机械工程系副教授、麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）人机交互小组负责人Stefanie Mueller。合作作者还来自东京大学和密歇根大学。该研究将在ACM用户界面软件与技术研讨会上正式发表。
可变形交互结构
机械超材料是一种可编程的三维重复单元结构，凭借其几何特性可形成复杂形状。受到挤压、推拉等外力作用时，超材料能够以精确可控的方式弯曲或扭转。
以"负泊松比（auxetic）"超材料为例，它在被拉伸时不会变细，反而会变宽。
在早期工作中，麻省理工学院研究团队曾利用负泊松比超材料构建可重构天线，该天线可根据结构被拉伸的方式形成三种不同形态，从而在无需复杂运动部件的情况下动态调整频率范围。
在此基础上，团队希望进一步增加天线配置数量，但受限于负泊松比超材料只能形成三种固定状态，扩展空间有限。
本次研究中，团队创造了"bifur-circuits"——一种可根据模块单元的连接方式与旋转方向形成更多形态的负泊松比超材料。
这些单元同时被设计为电气模块化结构。得益于导电材料与bifur-circuits的集成方式，无论物体如何旋转、按压或扭转以形成新形状，整个结构的电气连接始终保持畅通。
为实现多种配置的交互式对象，bifur-circuits利用了一种称为"机械分叉"的特性。
机械分叉是指当施加在机构上的力超过某一临界点时，机构行为发生的突变。例如，轻轻弯曲塑料直尺两端，当力超过某一阈值后，直尺会突然发生屈曲。
在bifur-circuits中，这种分叉现象发生于连接模块绕枢轴点以特定方式旋转时。这一特性使连接模块能够形成比单个模块更多的稳定配置。
随着bifur-circuits单元数量的增加，潜在配置数量呈指数级增长。
"分叉特性让我们得以显著拓展可重构的设计空间。仅增加一个额外单元，同一结构就能衍生出多得多的组合方式。"AlAlawi说道。
连接和旋转组件会在相邻单元之间激活唯一的电路。这种交互性使各单元能够相互通信，进而让整个结构感知自身所处的形态配置。
研究过程中，最大的挑战之一是找到既足够柔韧可以弯曲、又能保证足够导电效率的导电材料。
"导电材料是设计过程中必须绕过的约束条件，它直接决定了模块之间感知交互的实现方式。"AlAlawi说。
在完善设计之后，研究人员通过超过一万次压缩测试验证了可重构结构的耐久性，结果显示电气连接性能未出现任何衰减。
研究团队还开发了一套用户友好的构建与仿真工具，以简化bifur-circuits的设计流程。该软件可生成多材料3D打印机所需的指令，支持一次性完成可重构对象的整体制造。
研究人员通过实际制作展示了bifur-circuits的多样应用潜力：一把可感知自身几何形态并变形为茶几的椅子，以及一款可根据形态自动启动不同视频游戏的变形控制器。
展望未来，bifur-circuits有望应用于交互式康复辅具、模块化软体机器人的变形抓手，以及在自然灾害后能够响应环境变化的可重构庇护所等场景。
研究团队表示，未来将继续探索bifur-circuits的更多应用，并计划为结构增加更强的交互能力，同时研究更多种类的超材料形态。
"bifur-circuits是迈向具有集成智能机械积木的一步。在此基础上继续探索，设计出能够构建任意形态、结构稳定且可驱动的积木式模块，将是非常有价值的研究方向。"AlAlawi说道。
本项研究部分资金来源于日本科学技术振兴机构及巴林王储国际奖学金计划。
Q&A
Q1：bifur-circuits（分叉电路）是什么？有什么特别之处？
A：bifur-circuits是由麻省理工学院研究人员开发的一种模块化3D打印结构单元，属于机械超材料的一种。它的特别之处在于，无论结构如何旋转、按压或扭转变形，内部的电气连接始终保持畅通。同时，基于"机械分叉"特性，随着模块单元数量增加，可形成的形态配置数量呈指数级增长，具有极高的可重构性。
Q2：bifur-circuits可以用在哪些实际场景中？
A：bifur-circuits的潜在应用非常广泛。研究人员已演示了可变形椅子和游戏控制器等原型。未来还可用于辅助伤病康复患者调整体位的智能家具、适应不同任务的模块化软体机器人抓手、在自然灾害后能响应环境变化的可重构庇护所，以及无需机械部件即可调整频率的通信天线等领域。
Q3：bifur-circuits结构的耐久性如何，制造是否复杂？
A：研究人员对可重构结构进行了超过一万次压缩测试，结果显示其电气连接性能没有出现任何衰减，耐久性表现良好。在制造方面，团队专门开发了配套的构建与仿真软件，可自动生成多材料3D打印机所需的指令，支持一次性完成整体制造，大幅简化了设计与生产流程。
