麻省理工學院的研究人員開發出一種新方法，可以設計從平面形狀通過拉動一根繩子而展開的三維結構。這種技術有助於工程師在速度和便攜性至關重要的地方迅速組裝複雜結構，例如災區。該方法允許結構平坦運輸，平滑展開成曲面三維形狀，並在釋放繩子後恢復到原始形狀。這種可逆性將減少運輸成本，同時在緊急情況下能快速搭建，例如在海嘯後部署臨時野外醫院。
這種新方法始於用戶設計的三維形狀，然後算法將該形狀轉換為由互連的瓷磚組成的平面佈局。每個瓷磚通過旋轉鉸鏈連接，允許結構在不需要剛性組裝步驟的情況下折疊和展開。該系統計算了單根繩子應如何穿過結構，識別關鍵的提升點並找到最短路徑以最小化摩擦。當用戶拉動繩子時，結構會平滑地移動到最終的三維形狀。如果用戶釋放繩子，結構又會再次平坦。這一特性允許重複部署而不會造成損壞或重新組裝。
整個驅動機制的簡單性是這種方法的一大優勢。用戶只需提供其設計，然後我們的方法會以這種方式優化，讓它在只需拉動繩子一次後保持形狀，麻省理工學院電氣工程及計算機科學研究生、論文的主要作者 Akib Zaman 說道。
研究人員從日本的切紙藝術「kirigami」獲得靈感，將每個設計劃分為一個由四邊形瓷磚組成的網格，這些瓷磚表現為一種 auxetic 結構。Auxetic 材料在被拉伸時會變厚，而在被壓縮時則會變薄。這種幾何形狀幫助結構在展開過程中可預測地運動，並使繩子在不需要馬達或複雜硬件的情況下引導形狀。研究小組在建模繩道內的摩擦時面臨重大挑戰，早期的物理測試顯示邊界瓷磚需要封閉以確保可靠的部署。研究人員後來用數學證明了這一行為，並利用經典物理方程計算摩擦並優化繩子的路徑，確保運動流暢且所需的力量最小。
這種方法使得用戶操作變得簡單。用戶只需要輸入設計，我們的算法會自動處理其餘的，Zaman 說。該系統可在多種規模上運行，研究人員在小型醫療設備上進行了測試，包括夾板和姿勢矯正器。他們還建造了一個人形大小的椅子和一個類似冰屋的便攜結構。因為這種方法不依賴於特定的製造工藝，設計師可以使用 3D 打印、CNC 銑削或成型來生產結構。鉸鏈可以使用柔性材料，而其他部分則保持剛性。這一方法可能支持可折疊的機器人，讓它們在進入狹小空間時能夠展平。它還可能幫助工程師設計模塊化的太空棲息地，讓機器人能夠在火星上部署。
研究小組在計算機協會的 SIGGRAPH Asia 會議上展示了這項工作。在未來的研究中，他們計劃探索不需要人類或機器人拉動繩子的自動展開版本。目前，這項研究指向了一個簡單的理念，具有廣泛的影響力：複雜的結構不一定需要複雜的組裝。這項研究已在 ACM 數字圖書館發表。
