Mixels：使用可编程磁像素制造接口

文献标题

Mixels: Fabricating Interfaces using Programmable Magnetic Pixels

文献信息

• 主题领域: 人机交互与数字制造
• 关键词: 可编程材料, 磁性界面, 数字制造, 触觉反馈, 人机交互

研究背景与问题

• 问题和挑战:

  • 磁性材料在数字制造中的应用和自动化程度远落后于其他领域（如光学、声学等），以往的研究多依赖现成或手动制造的磁性材料，无完善的设计制作流程支持复杂磁性行为，如选择性吸引、排斥和无相互作用的行为。
  • 对于多物体之间的复杂磁性交互，现有工具缺乏支持设计和自动化制造的方法。

• 重要性:

  • 磁性材料具有潜力成为互动界面的核心技术，能够显著扩展触觉、实体交互等用户体验，但需要突破设计复杂磁性行为和生成磁性界面的技术瓶颈。

• 研究动机:

  • 使用数字化工具与自动化硬件来支持快速设计和精确制作，使得非专家能够创建具备复杂交互特性的磁性材料。

解决方案

• 方法概述:

  • 提出了一种基于“可编程磁性像素”的硬件和软件系统，称为“Mixels”。
  • 系统包括硬件附加（配置在三轴CNC机器上的电磁头和霍尔效应传感器）、控制软件和用户界面，实现了磁性界面的快速设计和批量生产。

• 创新之处:

  1. 开发了成本低廉（62美元）、可附加到现有CNC平台的硬件，实现低成本、可扩展性强的磁性像素制造。
  2. 首次提供支持“选择性吸引、排斥和无相互作用”行为的设计与制造管道，将数字化控制与高层级用户行为设计结合。
  3. 硬件能够对软磁材料进行写入、读取和重复编程，支持多次复用和行为调整。
  4. 提出矩阵代数与图像算法结合的方式生成复杂吸引/排斥行为，支持多对象精确交互。

• 实现步骤与关键技术:

  1. 硬件实现: 开发一个可编程的电磁头以写入磁性像素，以及霍尔效应传感器以读取像素磁性强度。
  2. 磁性像素编程:
     • 利用电磁头创建单个像素（由北极或南极方向表示），可以通过改变电流方向实现。
     • 支持“磁化-去磁化”循环，用户可反复调整。
     • 无需用户干预，即可实现任意二维磁性布局。
  3. 用户界面: 提供三个主要设计模式：
     • 像素级手动编辑。
     • 配对生成模式（支持选择性吸引与排斥）。
     • 大型交互画布（定义局部区域交互行为，如吸引、排斥或无作用）。
  4. 控制软件: CNC同步控制电磁头和传感器，执行用户设计并进行像素化的精确轨迹规划。

研究成果

• 具体成果:

  • 系统能够可靠地以0.3%的精度编程磁性像素、实现连续磁强度变量，可预测方式生成选择性吸引/排斥模式。
  • 实现无需人工干预的全自动磁像素制造过程。
  • 提供一套从设计到生成的工具链，支持快速重编程和灵活应用。

• 优势:

  • 相较于同类研究（使用现成磁体或复杂耗时的制造工具），提供更全面的设计支持，更快的生成速度和复用能力。
  • 通过开放式工具链，降低了非专业用户的技术门槛。

• 实验与评估结果:

  1. 电磁头实现最大磁饱和强度0.34T，超过等体积的传统永久磁体强度。
  2. 写入的磁性强度具有稳定的长时间持久性（无衰减）。
  3. 系统准确预估并验证了磁场交互行为（吸引、排斥或无相互作用）。
  4. 测试显示硬件和算法对像素强度可靠编程与读取，校验误差极小。

• 局限性与未来方向:

  • 当前硬件分为两部分（写入磁像素和读取传感器），未来拟集成为一体化设计。
  • UI只支持二值像素（北极/南极），未来计划扩展到连续磁强度的设计支持。
  • 当前速度较慢，拟通过并行写入优化制程效率。
  • 加强磁性强度，通过改良材料和设计更大功率硬件。
  • 探索使用磁性3D打印材料直接创建具备复杂几何和磁性特性的3D对象。