将数据与物理对象集成的新方法

Mustafa Doğa Doğan说，要了解StructCode的全部内容，想想超人。不是“比飞驰的子弹更快”和“比机车更强大”的版本，而是一个超人或女超人，她看待世界的方式与普通凡人不同——一个可以环顾房间并收集有关普通物体的各种信息的人，这些信息对于穿透力较差的人来说并不明显。

简而言之，这就是“StructCode背后的高级思想”，Doğan解释说，他是麻省理工学院电气工程和计算机科学的博士生，也是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的附属机构。“我们的目标是改变我们与对象交互的方式”——使这些交互更有意义、更有意义——“通过以易于访问的方式将信息嵌入到对象中。

StructCode 源于一项名为 InfraredTags 的努力，Doğan 和其他同事在 2022 年推出了这项计划。这项工作以及当前的项目都是在麻省理工学院副教授Stefanie Mueller的实验室中进行的，Stefanie Mueller是Doğan的顾问，他参与了这两个项目。在去年的方法中，“隐形”标签 – 只能用能够检测红外光的相机看到 – 被用来揭示有关物理物体的信息。缺点是许多相机无法感知红外光。此外，制造这些物体并将标签贴在其表面上的方法依赖于3D打印机，3D打印机往往非常慢，通常只能制作小物体。

StructCode，至少在其原始版本中，依赖于用激光切割技术生产的物体，这些物体可以在几分钟内制造出来，而不是3D打印机可能需要几个小时。此外，还可以使用智能手机中常见的RGB相机从这些对象中提取信息;不需要在光谱的红外范围内工作的能力。

在他们最初演示这个想法时，麻省理工学院领导的团队决定用木头建造他们的物体，制作家具、相框、花盆或玩具等非常适合激光切割制造的物品。必须解决的一个关键问题是：与外部附加的条形码和二维码相比，如何以不显眼和耐用的方式存储信息，并且不会破坏对象的结构完整性？

目前，该团队提出的解决方案是依靠关节，这在由多个组件制成的木制物体中无处不在。也许最熟悉的是手指接头，它有一种锯齿形图案，其中两个木片以直角相邻，使得沿着第一块接缝的每个突出的“手指”都适合第二件接缝中的相应“间隙”，同样，第一块接头中的每个间隙都用第二块的手指填充。

“关节具有这些重复特征，就像重复位一样，”Dogan说。为了创建代码，研究人员略微改变间隙或手指的长度。标准尺寸长度为 1。稍短的长度被分配为 0，稍长的长度被分配为 2。编码方案基于可以沿关节观察到的这些数字或位的序列。对于每个四位的字符串，有 81 （3⁴） 种可能的变化。

该团队还展示了在“活铰链”中编码信息的方法 – 一种通过切割一系列平行的垂直线制成的扁平，刚性材料并使其可弯曲的关节。与指关节一样，这些线之间的距离可以变化：1 是标准长度，0 是稍短的长度，2 是稍长的长度。通过这种方式，代码可以从包含活铰链的对象组装而成。

这个想法在一篇论文“结构代码：利用制造工件将数据存储在激光切割对象中”中进行了描述，该论文于本月在纽约市举行的 2023 年 ACM 计算制造研讨会上发表。该论文的第一作者Doğan与穆勒和四位合著者一起加入 – 最近的麻省理工学院校友Grace Tang ‘ 23，MNG ‘ 23;麻省理工学院本科生齐理查德;加州大学伯克利分校研究生陈信岳;和康奈尔大学助理教授Thijs Roumen。

“在材料和设计领域，人们往往倾向于将新颖性和创新与全新的材料或制造技术联系起来，”代尔夫特理工大学材料创新和设计教授Elvin Karana指出。StructCode给Karana留下最深刻印象的一件事是，它提供了一种新颖的数据存储方法，通过“应用激光切割等常用技术和木材等无处不在的材料”。

科罗拉多大学计算机科学家Ellen Yi-Luen Do补充说，StructCode的想法“简单，优雅，完全有意义。这就像让罗塞塔石碑帮助破译埃及象形文字一样。

德国哈索·普拉特纳研究所（Hasso Plattner Institute）的计算机科学家帕特里克·鲍迪施（Patrick Baudisch）认为，StructCode是“个人制造向前迈出的一大步。它采用了目前只为大规模生产的商品提供的关键功能，并将其带到定制对象中。

简而言之，这是它的工作原理：首先，激光切割机在通过StructCode创建的模型的指导下，制造一个嵌入编码信息的对象。下载StructCode应用程序后，用户可以通过将手机摄像头对准物体来解码隐藏的信息，这可以（在StructCode软件的帮助下）检测物体向外关节或活铰链中发现的长度的细微变化。

Doğan说，如果用户配备增强现实眼镜，这个过程会更容易。“在这种情况下，你不需要对准相机。信息会自动显示。这可以给人们带来更多StructCode设计者希望赋予的“超能力”。

“对象不需要包含很多信息，”Doğan补充道。“足够了——比如说，以URL的形式——将人们引导到他们可以找到他们需要知道的东西的地方。

用户可能会被发送到一个网站，在那里他们可以获得有关该对象的信息 – 如何照顾它，也许最终如何拆卸它并回收（或安全处置）其内容。用活铰链制成的花盆可能会根据在线维护的记录通知用户，花盆内的植物上次浇水的时间以及需要再次浇水的时间。检查玩具鳄鱼的儿童可以通过StructCode了解动物解剖结构各个部分的科学细节。用StructCode修改的指关节制作的相框可以帮助人们了解框架内的绘画以及创作艺术品的人（或多个人）——也许可以链接到艺术家直接谈论这件作品的视频。

“这项技术可以为新的应用铺平道路，比如互动博物馆展览，”比利时哈瑟尔特大学的计算机科学家Raf Ramakers说。“它有可能拓宽我们感知日常物品和与日常物品互动的范围”——这正是激励Doğan及其同事工作的目标。

但就Doğan和他的合作者而言，StructCode并不是终点。同样的通用方法可以适用于激光切割以外的其他制造技术，并且信息存储不必局限于木制物体的接缝。例如，数据可以表示在皮革的纹理中，在编织或针织件的图案中，或通过其他方式隐藏在图像中。Doğan对可用选项的广度以及他们“对这个新的可能性领域的探索，旨在使物体和我们的世界更具互动性，才刚刚开始”这一事实感到兴奋。