在牆上繪一架鋼琴，就能像彈奏傳統鋼琴一樣，去彈奏畫在牆上的打印鋼琴電路。

動圖 | 在牆上 “彈鋼琴”（來源：程聽雨）

在牆上畫一副電路，就可以連接并控制家庭中已有的物聯網設備， 比如咖啡機和電燈等。

動圖 | 在牆上控制電路（來源：程聽雨）

或在窗戶玻璃上畫一個 FM 能源采集器，這樣就能從空氣中收集富餘能量，并用于支持家用傳感器。

動圖 | 收集能量 （來源：程聽雨）

這是遼甯 90 後博士生程聽雨研發的大型電子制造機器人 Duco，它利用一個懸起的機器人系統，即可在日常生活環境的表面自動繪制單層甚至多層電路。

圖 | 程聽雨（來源：程聽雨）

它背後的關鍵思想是在日常生活表面上打印單層、或多層大型電路。日常建築表面非常普及，但實際上多用于結構性功能。比如牆就是一個很好的例子，在日常中廣泛存在，但隻用來隔開屋子或者支撐建築，并沒有任何交互特性。

Duco 通過加載各種功能油墨（如導電、介電或清潔）可以在這些日常生活表面去打印大型電路，或者進行切割并組裝成具有交互能力的三維物體。

9 月 14 日，相關論文以《Duco：使用可伸縮的懸挂式繪圖儀在垂直的日常表面上進行自動化大規模電路書寫（DCW）》（Duco: Autonomous Large-Scale Direct-Circuit-Writing (DCW) on Vertical Everyday Surfaces Using A Scalable Hanging Plotter）為題，發表在人機交互的頂級會議 IMWUT/ubicomp 上，主題是用機器人在日常表面繪制大型電路。

圖 | 相關論文（來源：程聽雨）

大型電路的優勢在于，能提供更大的交互空間。此外，像低頻的 FM 能量收集器，需要增大天線的尺寸去收集更多能量，或者利用機器人的切割功能去組裝大型三維實體交互設備，讓家具實現交互。

此前，噴墨印刷電路開創了一種簡單、快速且廉價的數字制造方法，并已用于原型化功能性電子設備。此外，許多其他基于噴墨的技術進展，也帶來了更廣泛的交互應用。

然而，目前還沒有制備大規模電路的數字制造工具。當前的挑戰在于，過程需要大量人力，例如準備對準模闆、手動油漆、噴塗功能材料、去除模闆等，這給大規模制造帶來了較大困難。

（來源：程聽雨）

同樣值得注意的是，在準備模闆時，大多數現有機器仍然占據了大部分平面空間。因此垂直空間的尚未充分利用，這導緻這些空間不能作為可被直接制造的工作空間。但是，人類環境中充滿了巨大的開放空間，它們被牆壁、外牆、玻璃窗等結構隔開。通常情況下，這些結構都處于被動狀态，幾乎沒有交互性。而程聽雨表示，目前集成電路的發展趨勢是以做小做精為主，其優勢在于可降低成本，并能更好地将它們安裝到可穿戴設備上。

（來源：程聽雨）

但實際上，大型電路也有着獨特優勢。為此，程聽雨建立出 Duco 這款大型電子制造機器人，利用它在牆上畫大型電路，借此給房間規模和建築規模的電路增加交互性。

這也是一種可創建高精度大規模電子産品的直接電路寫入系統。Duco 支持三類工具：一個利用導電、介電和清潔油墨的筆刷，可用于在垂直表面上繪制電路；一個激光切割頭可在大表面上進行 2D 切割；以及一個可用于自動固化打印油墨的紫外線發光頭。

它還能切換到不同的油墨之間，并使用一個自定義旋轉更換機制。可以說，這正是大型電路的獨有需求和優勢，當需要大面積的交互範圍和空間，大型電路就成為了必須。

（來源：程聽雨）

Duco 系統的機械精度相對不錯，其具備 0.1mm 的 XY 軸分辨率、以及 1mm 的最小特征尺寸。

研究中，程聽雨用五個應用例子展示了 Duco 系統：分别是交互式鋼琴、物聯網咖啡機控制器、打印在大玻璃窗上的 FM 能量收集器、大型多層觸摸陣列、以及一個 3D 互動燈。

（來源：程聽雨）

具體來說：

其一是在牆上畫一些交互型圖案，研究中程聽雨展示了一架 160 厘米乘 32 厘米大小的獨立互動鋼琴。這一應用突出了 Duco 系統繪制複雜且準确的電路的能力。

在制作交互式鋼琴時，程聽雨首先使用 4 毫米的黑色标記來畫輪廓，然後自動切換到裝有導電墨水的 4 毫米标記筆來繪制交互圖案。這款交互式鋼琴具備以下功能：包括黑白按鍵演奏、背景音樂演奏、音調切換和音量調整。他還在鋼琴兩側安上一對便攜式揚聲器、一個 400 毫安時的锂電池和一個裸體導電觸摸闆。

（來源：程聽雨）

其二是他把牆上電路和 IoT 咖啡機連到一起，隻需觸碰電路圖案，就能遠程實時地控制家中的咖啡機。

其三是收集低頻能量。空氣裡中其實有很多 free energy（自由能量），例如信号塔傳輸信号到手機的過程中，會存在一些能量耗散殘留在空氣中。借助 Duco, 可以在日常玻璃上制作大型能量收集器，以便收集這些能量。将大型電路圖搭載在玻璃上，即可讓玻璃轉化成自由能量收集器，從而在空氣中收集能量。同時，大型能量收集器的設計是細線型，因此不會阻擋從事内向外看的視線。

（來源：程聽雨）

其四，除了直接進行電路繪制，也可把繪制好的電路切割下來重新組裝。比如在牆面上挂一個大型亞克力闆，然後在上面繪制電路，這時使用一個激光切割裝置進行切割，就能組裝成 3D 形狀。其五，還可通過這種方法制作大型交互落地燈。

一般來說，生活中的牆面，不管是樹脂、玻璃還是内飾牆，除了牆本身的裝飾作用和建築作用，它們沒有任何用處。當時程聽雨心想，這其實是一個很好的機會。如果能有一個機器人利用牆體等繪制大型電路，這樣既不會占空間，又滿足了大型電路的面積需求，基于此研發出這款機器人。他表示，這款機器人不僅很便宜，而且已經開源，其他人都可以拿去做改造，比如給它加一個攝像頭就能用于檢查電路。

（來源：程聽雨）

此外，機器人還能在更大的玻璃上繪畫，實現樓與樓之間、甚至城市與城市之間的交流。由于 FM energy harvester 的優勢在于收集能量，繪制出一些天線，天線就可用于傳遞信息。由于這款機器人的成本比較低，未來主要以個人制作為主。在開源内容中，程聽雨已經列出來很詳細的購買鍊接清單，甚至還有 3D 打印模型。他希望人們買到機器人之後，可以把家裡的牆、玻璃轉化成燈的開關。

（來源：程聽雨）

如果家裡有小孩，可以在牆上畫一些鋼琴，小孩子可以去跟它玩，比如觸碰導電的交互性圖案，屋裡的燈就會亮，對于兒童也可起到一定的教育作用。

該研究開始于疫情期間，由于是研究大型電路，所有東西尺寸都很大，為了在牆上畫咖啡機，程聽雨專門在疫情期間自己建了一堵牆，其他每一個實驗部分都專門建了一堵牆，建好之後用牆做測試。為了制備 FM energy harvester 裝置，他還專門買了一塊大玻璃。在這裡也想特别感謝整個團隊的支持，尤其是李不、李雲志研究員和張洋教授。

圖 | 程聽雨（來源：程聽雨）

程聽雨是沈陽人，生于 1991 年。碩士留學于雪城大學，目前在佐治亞理工大學讀博士三年級，就讀于人際交互專業，研究方向主要為設計和交互的結合。

接下來的博士生涯，他還會關注盲人應用。最近，他正在研究一種紙張，它的特性是加熱後能站起來，用這種紙做一些盲人圖案，即可拓展該群體的相關應用。

未來，他會繼續沿着這一方向，并希望去探索打印電路的更多應用，未來有望讓用戶在家裡就能自行打印電路。具體來說在後疫情時代，或許用戶打印一個電路，就能檢測感染情況或身體狀況。談及未來，他更加傾向在高校找教職，也更加傾向于回國發展。

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