清华和MIT团队研发新型毫米级流体驱动变形结构，为人机交互设备提供更多可能！
导读
人机交互(HCI, HumanComputer Interaction)是当下技术发展的热点，好的人机交互需要好的软件/智能系统，但是好的硬件系统/平台也是人机交互的关键。在设计交互硬件时，流体驱动的可变形结构由于其自身柔软以及形状多变的特性，得到了研究者的青睐。来自清华大学和麻省理工学院的研究团队近日研发了一种毫米级别的超薄流体驱动变形结构(fluidic- thin film actuators, milliMorph)。在论文中，研究团队通过多种不同的设计和展示，证实了毫米级别的流体驱动器可以实现更大的变形，高频驱动以及驱动顺序控制。同时，为了加工毫米级别的驱动器，他们设计了一种新型的加工方法，简称”非接触式热风密封 (NoHAS,Non-contact Hot Air Sealing)” 技术。希望本篇报道能为从事相关领域的工程师以及研究人员带来灵感。
作者：Riddick
不同结构的milliMorph
充气式变形结构AeroMorph的概念
为了更好的理解本篇报道中的研究，小编在这里首先带领大家回顾一下由MIT研究团队于2016年提出的用于人机交互硬件设计的方法，”充气式变形结构” (aeroMorph,aero代指和气体有关的，Morph是变形的意思)，该结构基于折纸和充气变形设计。文末有相关视频简介。
通过不同的密封线设计，实现不同的类似折纸的变形
简单来说，就是将两片不透气的布料用热封的方式贴合在一起，然后密封边角，以及中间特定区域。在两片布中间未被密封的区域就会留下空间，充气后可以发生形变。小编先通过几张图让大家对于该结构有一个初步了解:
简单便捷的设计软件
充气变形结构的纸鹤
纸鹤变形动态图
该团队设计了一种对于特定的塑料织物进行热压密封的方法，从而把两层很薄的织物通过一定的方式结合，并利用软件按照一定的结构设计(一般是采用折纸结构)在其中留下气道和气囊。这样，一片薄而柔软的“布”，在充气后就能够按照设计的形状进行变形。这项技术可塑性强，柔软，耐受力好，因此在儿童玩具，智能可穿戴设备，以及家居产品领域都有很高的应用前景。相关报道请见文末链接。
基于aeroMorph改进的毫米变形结构milliMorph
今天小编要向大家介绍的是MIT团队联合清华大学研究团队对于之前的研究进行的一些新的探索和改进。可以看出，之前设计的样品都是大尺寸的(厘米级别)。在新的研究中，研究者们把这种充气式边形结构的设计尺度放在了毫米级别，所以称作milliMorph。这种毫米级别的结构就是把上述aeroMorph的流体流动的通道缩小了很多，实现了微型的充气变形结构。
毫米级别的结构设计减小了驱动对于流体流量的要求，同时自身的结构和一些特性也因为尺寸的缩小产生了变化，因此能够实现大尺寸结构难以实现的功能。
下面小编先为大家展示一些应用示例(文末有完整视频):
高频驱动的结构
高频扇动翅膀的蝴蝶
超薄的花瓣
内嵌电路的超薄触摸设备
研究者发现，如下图，当内部结构尺度从1厘米缩小到1毫米级别，在相同的气压下，弯曲的角度增大很多。另外，毫米级结构更加的轻薄，所以相较于之前aeroMorph的结构，毫米级结构可以被用于一些特殊的场景。
内部结构尺寸影响变形角度
制造方法和应用场景
当结构尺度缩小到毫米级别后，之前用于aeroMorph的加工方式显然已经不适用了，因为过高的接触式的热封极易导致材料(聚酯薄膜或聚酯薄膜之类的非弹性薄膜)的破损和变形。为了加工毫米级别的驱动器，研究者们设计出了一种基于热风密封的加工方法，非接触式热风密封(NoHas,non-contact hot air sealing)。如下图，研究者用毫米级别的针头来减小气流的输出直径，从而实现了毫米级别的热密封加工。有孔的注射器针头固定在一个CNC数控三轴平台上，理想的热风温度是180摄氏度，输出气压是两个大气压。通过这种加工方式成功避免了在进行超薄超微尺度的加工时，结构和材料不会被破坏掉。研究者可以制造出最小0.5mm的腔室/通道。
非接触式热风密封系统
加工的动态图
研究者提出了四种不同的设计模式/应用场景，包括1. 设计不同结构的变形单元，实现顺序控制，高频响应，以及高分辨率结构变形，2. 利用不同材料驱动的薄膜，3. 嵌入超薄有电特性的材料实现传感功能，4 利用不同的驱动方式（热驱动，电驱动）实现变形。
四种设计思路/应用场景
除了文中开始给出的一些实例之外，研究者还展示了一下几种应用(主要是基于温度响应的智能驱动器)。
下图是一个可以根据接触温度而改变形状的触觉手套。手套内部有一些毫米级别的小腔道，充满了低沸点液体。当接触到一些温度较高的液体时，手套里面的低沸点液体会被气化，从而手套膨胀变形，实现触觉传感功能。
触觉智能手套
下图是一个受热可变形智能便签。当接触到热水时，便签的形状会由于里面低熔点液体会气化，从而便签会发生变形。
智能便签
还有一个是超柔软轻薄的响应智能手环。将该手环和智能手机通过电路连接，当有电话打入，手环内置的加热芯片会加热空气，从而导致”按钮”膨胀。用户可以按下按钮接听或者挂断电话。
智能手环
应用前景
研究者在文末提到，这种微型的变形结构未来还有很多的发展前景。包括设计多层结构来嵌入更多的功能，或者设计微米级别的超薄膜。
人机交互是当下技术发展的热点，好的人机交互不仅仅包括好的软件和智能系统，好的硬件系统和平台也是人机交互的关键。基于当前的技术不断发展的话，未来或许可以做出像衣服一样轻薄的智能人机交互产品。
科学家们在人机交互硬件设计领域灵感层出不穷，正如今天介绍的这款产品，我们也期待在不久的将来，像这样的“黑科技”可以早日被应用到日常生活中，通过科技改变我们的世界。
文末视频
本文中的milliMorph
之前的研究aeroMorph
参考文献
Lu, Q., Ou, J., Wilbert, J., Haben,A., Mi, H., & Ishii, H. (2019, October). milliMorph--Fluid-Driven Thin FilmShape-Change Materials for Interaction Design. In Proceedings of the 32ndAnnual ACM Symposium on User Interface Software and Technology (pp. 663-672).ACM.
原文链接
https://dl.acm.org/citation.cfm?doid=3332165.3347956
相关网址
https://tangible.media.mit.edu/project/millimorph/
Aeromorph相关报道:
http://www.jzb.com/bbs/thread-6497804-1-3.html
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