小时候，你或许在迪士尼电影中见过钟表、杯子、玩具等无生命物体变成与人类互动的伙伴——这看似纯粹是魔法。但麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的科学家们如今正在做类似的事情：将静止的物品转变为能够感知并响应人类动作以完成任务的自我感知工具。
工程师们利用导电材料制作传感器和内部线路（有点类似电线），通过3D打印技术制造出这些具有内置感知能力的动态物品。问题在于：这两个组件通常使用相同的材料制成，因此会发出相似的信号。这有点像同时听到两个电台的广播，混杂在一起很难分辨。举例来说，这会让一只向机械手传递如何操作特定物体指令的手套感到困惑。设备无法过滤噪音或验证用户动作的角度，导致仿人机器人学习者出现错误。
CSAIL与中国天津大学（TJU）的研究人员可能已经找到了一种打印更精确互动物品的方法。借助他们开发的“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：一种是专为传感器设计、能发出尽可能强信号的线材，另一种则是不会产生干扰的类电线元件。这样，交互信号就不会在传输过程中丢失，这意味着用户可以制作出能够实时响应的物体，比如小型机器人、家居装饰品、物体检测系统和玩具。
借助X-Hinges，用户可以通过选择和连接不同的形状来组装物品，然后选择特定部分如何移动。与以往方法不同，该物品不会局限于单一方向的运动；相反，用户可以选择最多三个“运动轴”：压缩、上下运动或左右运动。例如，在制作机械手时，你可能希望指尖能够垂直和横向移动。这个新工具会在物体弯曲的部位（在这个例子中就是关节处）嵌入传感器，以捕捉来自两个角度的运动数据。这样，设备在3D打印完成后就能更动态地理解并响应用户的互动。
“这就像是给日常物品添加了一种意识元素，”麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）博士后、CSAIL研究员、该研究论文的资深作者李嘉骥（音译）说道。“你最终得到的是能够更好地理解自身使用方式、拥有更多响应方式的物体。就像人工智能智能体被编程根据我们的指令做出某些决策一样，这些创作物具有内置感知能力，能够自适应地对人类的触碰做出反应。”
视频演示
X-Hinges：用于连续和多自由度运动感知的自感知柔性机构3D打印技术
李嘉骥和论文第一作者、天津大学博士生兼CSAIL访问研究员常翔（音译），利用X-Hinges制作了许多巧妙的装置。例如，他们制作了一只能够教机器人如何抓取积木的手套。这只手套能够根据用户手部大小进行调整，然后通过传感器记录用户手指关节的弯曲方式，并迅速将该信息传递给仿人机械手以模仿这一动作。这种手套在工厂或家庭中可能非常有用，因为机器人往往需要快速学习新的交互方式。
研究人员还利用X-Hinges制作了一款小型折纸风格的台灯。它能够感知人类捏合关闭灯具的动作，并据此调整亮度。当你打开这款自适应的便携式光源（有点像阅读灯）时，它看起来就像一张折叠的纸张，逐渐展开变成一盏台灯。
X-Hinges甚至可以组装出能够识别放置在其上的物体的装置。例如，你可以把一个香蕉放在上面，它会根据传感器记录的触觉数据几乎立即识别出这种水果。这种先进的物理感知能力可以整合到机场和超市等场所的检测系统中。
在科学家们的每一项创作背后，都有一个易于使用的界面，帮助用户从零开始设计互动物品。用户可以选择设计中每个部分的外观和运动方式，就像研究人员在制作一款外形酷似卡通鲨鱼的游戏控制器时所做的那样。
X-Hinges提供四种可选形状：自定义选项、圆柱体、矩形和细线轮廓。为了还原鲨鱼尾巴独特的外形，研究人员设计了自己的形状。然后他们选择了玩具弯曲的方式，选定尾巴上下摆动，有点类似游戏摇杆。最后，程序嵌入了传感器，科学家们对设备进行了3D打印。
研究人员表示，与以往尝试3D打印响应式日常物品的方法相比，X-Hinges的多样化运动是一项新颖的特性。“大多数方法由于信号干扰问题，只能实现单一方向的运动。X-Hinges使你的3D打印物品能够从三个角度移动，”常翔说道。“最终，你会得到一个具有预期运动效果的设计。它还能同时记录各个区域的运动数据，使设备能够响应各种不同的交互方式。”
该工具有望帮助人们挖掘看似平凡物品的未开发潜力。我们日常用于特定用途的物品，比如用来喝水的水瓶或用来照明的台灯，都可能变成互动装置。就像聊天机器人利用某种数字智能来回答你的提问一样，物体也可能利用某种物理智能，在用户与其互动时执行物理任务。
不过，目前X-Hinges仍面临校准方面的瓶颈。每次3D打印物品时，其电气元件的布局都会略有不同，因此两个外观相同的设备可能无法产生相同的传感器读数。例如，如果你要为两名不同的用户制作一款可变形的健身手套，这一点就至关重要。为解决这个问题，常翔和李嘉骥开发了一套计算机视觉系统，可以重新校准输出数据以实现对齐，确保两个相同物品之间的数据准确一致，尽管他们希望未来能开发出一种内置的信号重新校准机制。
这一目标源于李嘉骥自身研究的一条主线：让驱动和感知直接在3D打印物体内部“生长”出来，而不是在打印完成后再添加上去。他此前曾打印过腱驱动机构，赋予物体运动能力；而X-Hinges则是他在感知能力方面的进一步发展。他表示，下一步是将两者结合在单次打印过程中——驱动和感知在同一制造过程中同时诞生，这将为具身智能和人工智能智能体开辟新的物理平台。
常翔和李嘉骥与麻省理工学院电气工程与计算机科学系副教授、CSAIL首席研究员斯蒂芬妮·穆勒，以及天津大学最近的毕业生严海洋（音译）共同撰写了这篇论文。他们的研究部分得到了浙江大学博士后研究奖学金以及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研究成果。
