许多动态交互式物体通过使用电子设备（如LED和屏幕）来改变外观。但如果物体被挤压、扭曲、用力按压，或者接触到化学品或水，这些电子设备将无法正常工作。表面光学技术可以在不使用精密电子元件的情况下改变物体的外观，但其交互性相当有限，因为像贴纸或曲面透镜这样的静态标签仅能根据用户的观看位置产生视觉效果。
麻省理工学院（MIT）的一个研究团队创建了一种新的3D打印系统，用于制造交互式物体，这些物体可以在被旋转、按压或滑动时改变外观，而非依赖电子设备。他们的ShiftLens设计与制造系统利用受控的微小机械位移，将内置的机械部件与特殊排列的光学层相结合，使物体的表面外观根据用户交互（如拨动开关或拧上盖子）而变化。最终得到的物体，例如能提醒用户紧固件是否松动的包装，可以在多材料打印机上打印，并且无需电子电路即可运行。"利用我们的系统，物体可以告诉你是否在使用它时操作正确，而无需传感器或任何复杂的电子设备，"MIT电气工程与计算机科学系（EECS）研究生、关于ShiftLens的论文第一作者Yunyi Zhu解释道。"交互式显示是机械的，因此你可以创建一个自包含、多状态的交互式设备，用户可以非常直观地控制它。"她的合著者包括MIT本科生Dingning Cao、慕尼黑工业大学研究生Jeremy Mrzyglocki、MIT EECS与机械工程系副教授、计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）成员Stefanie Mueller，以及东北大学博士后Narjes Pourjafarian。
图1： ShiftLens利用机械驱动的光学表面，在无需电子设备的情况下为3D物体创建可切换的外观，通过以下方式展示：(a) 一个化学瓶，在盖子松动时显示安全警告；(b) 一个门牌，翻转时在两个信息之间切换；(c) 一个井字棋棋盘，其格子由旋钮控制，实现无电子的交互；(d) 一支口红管，其管身旋转时颜色渐变。
他们的系统会自动将设计转换为具有"机械可切换表面外观"的3D可打印模型。它通过在物体表面结合两个光学层来实现这一点：将一层微小的透镜层放在一个带图案的背板之上。这些是曲面透镜，会根据用户的视角以不同方式引导光线。带图案的背板包含图像条，这些图像条"对应于物体表面的多种外观"。当顶部的透镜层被移动时，底层背板的不同部分就会被显示出来。透镜会放大这些显示的部分，从而改变物体的表面外观。一个例子是翻转时会切换两种信息的门牌。另一个例子是化学瓶，当盖子未正确关闭时会改变颜色。我无法用语言表达，在实验室漫长的一天结束时，当你累得几乎梦游，在自动巡航状态下完成最后任务时，像后者这样的例子能有多大帮助。正是在这种时候，错误最容易发生。因此，当危险材料未妥善密封时，拥有一个物理上会改变颜色的瓶子，可能会改变游戏规则。
根据Zhu的说法，该项目最困难的部分是确保移动的光学效果、计算图形和机械联动装置对齐。为了让其他人更容易实现这一点，该团队开发了一个用户友好的工具，可以完成这项艰巨的工作。基于仅需的少量输入，如物体的期望曲线和形状，以及期望视觉状态的图像，该工具会自动创建最佳的ShiftLens结构。"为了使这些转换可靠，我们引入了驱动机制，将按压、滑动和旋转等输入转化为可重复的表面变化。我们还提供了一个计算设计工具，它以3D几何形状、所需外观和驱动类型作为输入，并自动生成用于单次多材料3D打印的透镜、图案和驱动机制几何结构，"团队在其论文摘要中写道。向用户解释ShiftLens设计工具的局限性也很困难。Zhu说："另一个挑战是向不熟悉光学或机械结构的用户进行沟通，让他们能够指定并实现他们心中所想。"
由于该工具需要移动动作来引起物体层之间的交互，ShiftLens并非与所有物体兼容。它最适合设计那些本身已具备所需交互动作的物体，例如旋转的口红管，或者集成一个驱动机制，如旋钮、滚轮或开关。正如Zhu解释的那样，ShiftLens用户"可以在使用物体时控制它的外观。"为了证明该系统的潜力，研究人员3D打印了各种交互式物体，包括那个会变色的瓶子。
ShiftLens系统的开发旨在使制造过程对创客更简单，但有一天它可以被扩展，为建筑、商业和工业应用创造可适应的交互式物体。Zhu举的一个例子是，利用该平台设计3D打印管道，使其改变外观以突出显示泄漏位置；再次，就像会变色的化学瓶一样，这确实是一个非常实用的应用。研究人员将在即将于底特律举行的ACM用户界面软件与技术研讨会上展示他们的工作，他们还计划开发一种算法，通过减少用户输入来简化ShiftLens设计过程。
来源：中国3D打印网编译文章!
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