面包板集成到物理产品上

麻省理工学院的研究人员发明了一种方法，可以将“面包板”——一种用于电子原型设计的平面平台——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。

面包板是一种表面钻有针孔的矩形板。许多孔之间有金属连接和接触点。工程师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。

但是面包板几十年来一直保持着相同的形状。由于这个原因，很难测试这些电子产品在可穿戴设备和各种智能设备上的外观和感觉。一般来说，人们会先在传统的面包板上测试电路，然后再把它们安装到产品原型上。如果电路需要修改，它会返回到面包板进行测试，等等。

研究人员描述了“曲线板”，3d打印的物体，其表面集成了面包板的结构和功能。定制软件自动设计这些物体，并配有分布的针孔，可以填充导电硅胶来测试电子设备。最终产品是真实事物的准确呈现，但有面包板表面。

CurveBoards旨在保持对象的外观和感觉，同时使设计人员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、茶壶和灵活的可穿戴电子阅读器打印了曲线板。

“在面包板上，你可以建立电路功能的原型。但是你不知道它的形式背景——电子器件将如何在真实世界的原型环境中使用，”计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究生Junyi Zhu说。“我们的想法是填补这一空白，并在物体原型的早期阶段合并形式和功能测试。曲线板本质上是在物体现有的(三维)XYZ轴上增加了一个额外的轴——‘功能’轴。”

定制软件和硬件

CurveBoard的核心组件是定制设计编辑软件。用户导入一个对象的3D模型。然后，他们选择命令“生成针孔”，软件自动将所有针孔均匀地映射到整个对象上。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在所有针孔中探索不同的连接布局。对于手动布局，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一个文件进行3D打印。

当一个3D对象被上传时，软件将其形状强制转换为“四边形”——对象被表示为一堆小方块，每个小方块都有单独的参数。在这个过程中，它在方块之间创建了一个固定的间距。针孔——也就是圆锥体，宽的一端在表面，逐渐变细——将被放置在每个正方形的角接触的地方。对于通道布局，一些几何技术确保所选的通道将连接所需的电气组件，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、不导电的硅胶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胶，可以将其插入针孔，然后在打印后流过通道。硅酮是一种硅酮材料的混合物，设计成具有最小的电阻，允许各种类型的电子功能。

为了验证曲线板，研究人员打印了各种智能产品。例如，耳机配备了扬声器菜单控制和音乐流媒体功能。交互式手环包括数字显示器、LED、用于心率监测的光敏电阻和计步传感器。茶壶里有一个小摄像头，可以追踪茶叶的颜色，茶壶把手上还有彩色的灯，可以指示茶叶的冷热区域。他们还印制了一种可穿戴的电子书阅读器，带有柔性显示屏。

更好、更快的原型

在用户研究中，团队调查了CurveBoards原型的好处。他们将六名具有不同原型设计经验的参与者分为两组:一组使用传统的面包板和3d打印对象，另一组只使用对象的曲线板。这两个部分设计了相同的原型，但在完成指定的任务后在两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CurveBoard进行原型设计。反馈表明，曲线板总体上更快，更容易使用。

然而，研究人员说，曲线板并不是为了取代面包板而设计的。相反，它们在原型时间线中作为所谓的“中保真”步骤工作得特别好，这意味着在最初的面包板测试和最终产品之间。“人们喜欢面包板，在某些情况下，它们可以很好地使用，”朱说。“当你对最终产品有了一个想法，想看看人们如何与产品互动时，这是适合的。比起将电路堆叠在物理物体上，使用曲线板更容易。”

接下来，研究人员希望设计出帽子和手镯等常见物体的通用模板。现在，必须为每个新对象构建一个新的CurveBoard。然而，现成的模板可以让设计师在设计特定的曲线板之前，快速地试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步骤完全转移到软件方面。这个想法是，人们可以完全在软件生成的3D模型上设计和测试电路——可能还有用户交互。经过多次迭代，他们可以3D打印一个更最终的曲线板。朱说:“这样你就能确切地知道它在现实世界中是如何工作的，从而实现快速原型化。”“这将是一个更‘高保真’的原型步骤。”

麻省理工学院

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-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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