将电子设备集成到物理原型上

麻省理工学院的研究人员发明了一种方法，可以将“面包板”——广泛用于电子原型制作的平面平台——直接集成到物理产品上。其目的是提供一种更快、更简单的方法来测试电路功能和用户与智能设备和柔性电子产品的交互。

面包板是在表面钻有针孔阵列的矩形板。许多孔之间有金属连接和接触点。工程师们可以将电子系统的组件——从基本电路到完整的计算机处理器——插入他们想要连接的针孔中。然后，他们可以根据需要快速测试、重新排列和重新测试组件。

但“面包板”的形状几十年来一直保持不变。因此，很难测试电子设备在可穿戴设备和各种智能设备上的外观和感觉。一般来说，人们会先在传统的电路板上测试电路，然后把它们贴到产品原型上。如果电路需要修改，则返回测试板进行测试，等等。

在CHI(计算机系统中的人类因素会议)上发表的一篇论文中，研究人员描述了“曲线板”，这是一种3d打印的物体，其表面集成了面包板的结构和功能。自定义软件自动设计对象，完成的分布式针孔，可以填补导电硅酮测试电子。最终的产品是真实事物的精确表达，但是带有面包板表面。

研究人员在他们的论文中写道，曲面板“保留了一个对象的外观和感觉”，同时使设计师能够在原型迭代期间尝试组件配置和测试交互场景。在他们的工作中，研究人员为智能手镯和手表、飞盘、头盔、耳机、茶壶和一个灵活的、可穿戴的电子阅读器打印了曲线板。

“在实验板上，你要建立电路功能的原型。第一作者朱俊义(音译)是计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的一名研究生。“我们的想法是填补这一空白，并在原型设计的早期阶段合并表单和功能测试。”曲线板实际上是在物体现有的三维XYZ轴上增加了一个额外的轴——‘功能’轴。”

和朱一起写论文的还有CSAIL的研究生Lotta-Gili Blumberg, Martin Nisser和Ethan Levi Carlson;电气工程与计算机科学(EECS)本科学生Jessica Ayeley Quaye和Xin Wen;原EECS本科生朱云义、沈凯文;还有Stefanie Mueller, X-Window联盟的职业发展助理教授。

定制软件和硬件

曲线板的核心组件是定制的设计编辑软件。用户导入对象的3D模型。然后，他们选择“生成针孔”命令，软件自动将所有针孔均匀地映射到对象上。然后用户选择自动或手动布局连接通道。自动选项允许用户通过单击按钮来探索所有针孔之间的连接的不同布局。对于手工布局，可以使用交互式工具来选择针孔组并指示它们之间的连接类型。最终的设计被导出到3D打印的文件中。

当一个3D物体被上传时，该软件基本上会把它的形状做成一个“四边形”——在这个四边形里，物体被表示成一堆小方块，每个方块都有各自的参数。这样做，它在正方形之间创建了一个固定的间距。针孔是圆锥，宽的一端在表面上，逐渐变细，将被放置在正方形的每个角落接触的地方。对于通道布局，一些几何技术确保选择的通道将连接所需的电气元件，而不会相互交叉。

在他们的工作中，研究人员使用一种灵活、耐用、不导电的硅树脂来3D打印物体。为了提供连接通道，他们创造了一种定制的导电硅树脂，可以将其注射到针孔中，然后在打印后流经通道。硅树脂是一种硅树脂材料的混合物，其设计具有最小的电阻，允许各种类型的电子器件工作。

为了验证曲线板的有效性，研究人员印制了各种智能产品。例如，耳机配备了扬声器菜单控制和音乐播放功能。一个交互式手镯包括一个数字显示器，LED和用于心率监测的光敏电阻，以及一个计步传感器。茶壶里有一个小摄像机来记录茶叶的颜色，还有手柄上的彩色灯来指示冷热区域。他们还印刷了一种可穿戴的电子书阅读器，该阅读器具有可弯曲的显示屏。

更好、更快的原型

在一项用户研究中，该团队调查了曲线板原型的好处。他们将六名有不同原型设计经验的参与者分成两组:一组使用传统的面包板和3d打印的物体，另一组只使用物体的曲线板。两个部分设计了相同的原型，但在完成指定任务后，在各个部分之间来回切换。最后，六名参与者中有五名更喜欢使用曲线板进行原型设计。反馈表明，曲线板总体上更快，更容易操作。

但是研究人员说，曲线板并不是用来代替面包板的。相反，作为原型时间线上所谓的“中保”步骤，即从最初的面包板测试到最终的产品，它们会特别有效。朱说:“人们喜欢面包板，在某些情况下，面包板是可以用的。”“这适用于你对最终产品有了一个想法，想看看人们是如何与产品互动的。在物理物体上安装一个曲线板比电路更容易。”

接下来，研究人员希望设计普通物件的通用模板，比如帽子和手镯。现在，必须为每个新对象构建一个新的曲线板。然而，现成的模板可以让设计师在设计特定的曲线板之前，快速体验基本电路和用户交互。

此外，研究人员希望将一些早期的原型设计步骤完全转移到软件方面。其理念是，人们可以完全根据软件生成的3D模型设计和测试电路，甚至可能进行用户交互。经过多次迭代后，他们可以3D打印出更加定型的曲线板。“这样你就能确切地知道它在现实世界中是如何工作的，从而实现快速原型设计，”朱说。“对于原型设计来说，这将是一个更加‘高保真’的步骤。”