在大型结构上进行集成电子设备的原型设计（比如制作一把能监测使用者坐姿的椅子），通常是一个费时费力的过程。
以往，人们可能得通过 3D 打印和激光切割，制作多个版本的椅子结构，这会产生大量废料。之后再组装框架，把传感器和其他易碎的电子设备安装上去，最后连接起来，才能得到一个可用的设备。
然而，一旦原型制作失败，那就只能把它扔掉，然后重新开始设计。
如今，麻省理工学院的研究人员找到了一种更好的方法，能快速迭代设计大型且坚固的交互式结构。他们开发了一个快速开发平台，该平台运用可重新配置的组件和集成电子元件，这些电子元件能组装成复杂的功能性设备。
需要注意的是，与传统将电子元件嵌入结构不同，该系统让电子元件本身成为结构主体。
这些轻质的三维晶格组件被称为“体素”（Voxels），不仅强度高、刚度大，还具备集成传感、响应和处理能力，就算没有机械或电气工程专业知识的用户也能快速制作出交互式电子设备。
这些“体素”的组装、拆卸和重新配置几乎不受任何限制，能组合成各种形状，而且每个“体素”成本约为 50 美分。
图｜名为“体素”的轻量级三维晶格构建块（来源：MIT News）
麻省理工学院的研究人员开发的这个原型平台名为“VIK”（Voxel Invention Kit，体素发明套件），包含用户友好的设计工具，并支持端到端的原型设计开发。
借助这个工具，用户能模拟结构在机械载荷作用下的反应，并根据需求对设计进行迭代优化。
“这一平台旨在让功能性交互式设备的制作更加普及。无需 3D 打印或激光切割，使用‘VIK’，只要有‘体素’，你就能在任何你想的地方制作这些交互式结构。” 麻省理工学院媒体艺术与科学专业研究生、麻省理工学院比特与原子中心（CBA）及媒体实验室成员、VIK 相关论文的共同第一作者 Jack Forman 说道。
Forman 与共同第一作者、研究生 Miana Smith 和 Amira Abdel - Rahman，以及资深作者、麻省理工学院教授兼 CBA 主任 Neil Gershenfeld 共同完成了这项研究。这篇研究论文将在 Conference on Human Factors in Computing Systems 会议上发表。
功能模块
VIK 是在麻省理工学院比特与原子中心多年研究的基础上开发出来的，此前他们开发了一种名为体素的离散蜂窝组件。每个体素是由铝制成的立方体八面体晶格结构（有八个三角形面和六个方形面），它的强度很高，能支撑 228 公斤的重量，差不多相当于一架立式钢琴的重量。
图｜铝立方八面体晶格（来源：MIT News）
体素并非通过 3D 打印、铣削或激光切割制成，而是被组装成大型、坚固且耐用的结构，比如能对环境做出响应的飞机部件或风力涡轮机。
麻省理工学院比特与原子中心团队将体素与其他以互连电气元件为核心的研究成果相结合，创造出了具备结构电子学特性的体素。把这些功能性体素组装起来，就能形成一种无需电线，既能传输数据、电力，又能传递机械力的结构。
研究人员正是利用这些机电模块开发了 VIK 系统。“把我们之前那些达到严格工程标准的研究成果，转化成一个对用户友好、实用有趣且易于操作的系统，这个过程很有挑战性。”Smith 说道。
例如，他们加大了体素的设计尺寸，让人徒手就能轻松组装和拆卸晶格结构，同时还为体素单元添加了铝制交叉支撑，以此增强其强度和稳定性。
此外，VIK 体素采用了可逆的卡扣连接方式，用户无需额外工具就能轻松组装，这和之前一些用铆钉作紧固件的体素设计有很大区别。
Smith 表示：“我们设计的体素连接面，只允许正确的连接方式。这就意味着，只要你用体素进行构建，就能确保搭建的线路正确无误。设备组装完成之后，直接插上电源就能用。”
（来源：MIT News）
值得一提的是，线束系统通常是功能型设备的高成本项，也是故障多发环节，VIK 通过模块化设计有效解决了这一问题。
便捷的原型开发平台
为了帮助那些没有工程知识背景的用户制作各种交互式设备，研究团队开发了一个便于操作的界面，用于模拟 3D 体素结构。
这个界面包含一个有限元分析（FEA）仿真模型，用户可以在上面绘制结构，并模拟施加在结构上的力和机械载荷。系统会通过给用户设备的动画添加颜色，来标识潜在的故障点。
按照 Forman 的说法，“我们打造的这个界面本质上就像是体素版的‘我的世界’。用户不需要多专业的土木工程知识或桁架分析能力，就能判断自己制作的结构是否安全。任何人都能借助 VIK 制作东西，而且安全性也有保障。”
（来源：MIT News）
VIK 非常注重灵活性，创客们可以使用自己熟悉的微控制器，能轻松将现成的模块，像扬声器、传感器或执行器等，集成到自己的设备中。
Molex 公司先进电子封装技术经理 Victor Zaderej 评价道：“电子产品的下一次重大发展将在三维空间展开，而体素发明套件（VIK）正是帮助用户、设计师和创新者将电子元件直接融入结构的桥梁。想象一下，可以把 VIK 看作是乐高积木套件和电子实验板的结合体，当创意工程师和设计师开始思考应用场景时，它能激发无限可能性和独特产品。”
更为关键的是，借助设计工具的实时反馈，制作者能快速更改体素的配置，对原型进行调整，或者拆卸结构制作新的产品。要是用户最后不想用这个设备了，铝制体素还能完全回收利用。
这种可重新配置、可回收的特性，再加上体素强度高、刚度大、质量轻且集成了电子元件，使 VIK 特别适合需要临时搭建的场景，比如戏剧舞台，用可定制的布景安全地支撑演员在舞台上表演，而这些布景可能只用几天就不再使用了。
此外，通过实现大型复杂结构的快速原型设计，VIK 在太空制造、智能建筑以及可持续城市智能基础设施开发等领域也有广阔的应用前景。
不过，对于研究人员来说，也许接下来最重要的就是将 VIK 推向市场，看看用户能利用它创造出什么。“现在这些模块很容易获取，人们可以在日常生活中使用它们，期待看到大家用 VIK 来制作各种创意产品。” Forman 补充道。
https://news.mit.edu/2025/new-platform-lets-anyone-rapidly-prototype-large-sturdy-interactive-structures-0318
