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手机自动弯曲？书中蝴蝶自由起舞？人机交互黑科技让科幻成为现实

2021

07/29

学术头条

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如今，这一科幻场景或将很快成为现实了。

撰文：吴婷婷

编审：寇建超

排版：李维思

当我们在观看科幻电影时，有时会看到大致这样的情景：

一位美丽可爱的小女孩悄悄地打开了一本童话书，书中原本静态、平面的图画突然就在纸面上跳动了起来，成为了栩栩如生、三维的真实物体......

（来源：Pixabay）

如今，这一科幻场景或将很快成为现实了。

近日，来自科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）ATLAS 研究所的科学家团队， 利用电液压软体机器人技术成功开发出了一个可变形物体系统 Electriflow ，其 “设计产品” 从可以弯曲脖子的千纸鹤、栩栩如生的米老鼠，到按一下按钮就能摆动的花瓣，以及翩翩起舞的纸蝴蝶，着实令人眼花缭乱， 这些可变形物体不仅触感逼真、薄如纸张，还能快速移动，而且运动过程中几乎不会发出任何声音。

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视频 | 可变形物体系统 Electriflow（来源： YouTube）

日前，该团队在计算机协会 ACM 2021 年设计交互系统（DIS）会议上展示了这一成果，相关研究论文也以 “Electriflow: Soft Electrohydraulic Building Blocks for Prototyping Shape-changing Interfaces” 为题发表在 The ACM Digital Library 上。

（来源： The ACM Digital Library）

“这个系统非常接近我们在自然界中看到的情况。我想，我们正在突破人类与机器交互方式的界限。” 该项目的负责人、CU Boulder 的研究生 Purnendu 说。

不仅如此，研究团队还专门研发出了配套的软件工具，用于类似产品（比如可变形手机和可变形碗）的可变化形状界面的设计、可视化和制作。

图 | 一种柔性显示器模型：当手机收到通知时，手机会向上弯曲，无声地将信息呈现给用户（来源：该论文）

图 | 可以根据需要切换深、浅形态的水果碗模型（来源：该论文）

设计灵感来自哪儿？

与传统的可自运转的设计不同，Electriflow 的设计并不需要任何电动发动机或其他传统机器部件来实现。

实际上，研究团队的灵感来源于一种名为 “人造肌肉” 的电液压控制技术，这是一种被称为液压放大自愈静电（hydraulically amplified self-healing electrostatic，HASEL）执行器的技术。

与由刚性金属制成的传统机器人部件不同，HASEL 执行器从流体中获得动力。 打个比方，该执行器可以依靠静电力使密封塑料袋中的硅油流动起来，硅油在其中作为电介质流体，就像人们挤压番茄酱包一侧时，其形状也会相应产生变化。

“这些执行器的用途非常广泛，它们其实就是一个个小袋子，通过改变袋子的形状，其上的图案就能‘活动起来’、完成各种不同类型的运动。” 论文作者之一 Acome 解释道。

图 | 栩栩如生的米老鼠（来源：该论文）

实际上，科学家们此前已经尝试过使用这种设计模仿自然界，例如通过改变形状模仿各种生物（比如河豚或捕蝇草）从而吓跑捕食者或者捕获猎物。但正如 Purnendu 所说：“尽管对于某些动物来说，变换身体形状是进行交流和维持生存的重要方式之一，但目前的技术仍存在速度慢、噪音大、体积大等局限性。从这个角度来看，我们是在尝试利用计算机技术开发类似的形状变换功能。”

于是，Electriflow 应运而生。在没有外部流体供应源的情况下在静电激活时即时产生液压，从而实现简单紧凑的独立设计。而且通过使用软体材料，最终制成的产品触感柔软，效果也更加逼真。

如何实现不同的动作？

不过，要想利用上述电液压机制完成静态物体的移动，首先需要根据不同的移动需求，制作出相应的致动器。为此，研究团队专门制作了三种致动器，分别被称为 “铰链形（Hinge-Bending）”、“月牙形（Crescent）” 和 “弦月形（Quarter-moon）” 致动器。

图 | 三种致动器的工作状态变化及其对应的实验图像（来源：该论文）

其中，铰链形致动器主要由四部分组成：不可拉伸软袋（紫色）、刚性应变限制层（深灰色）、可膨胀区域（蓝色）以及电极。当输入液压时，静电力驱动电极以拉链运动的方式逐渐相互靠近，这种拉链运动将电介质流体移动到可膨胀区域中。于是，随着外加电压的增加，物体特定部位出现折角，直到电极之间的静电力和恢复液压之间达到平衡。