简单软件创建复杂的木质接头，无需钉子、胶水

从美学和环保的角度来看，木材都被认为是一种很有吸引力的建筑材料。建造有用的木制品需要复杂的结构和将部件连接在一起的方法。研究人员创造了一种新颖的3D设计应用程序，极大地简化了设计过程，并提供了铣床指令，以高效地生产设计的部件。这些设计不需要钉子或胶水，这意味着使用该系统制造的物品可以很容易地组装、拆卸、重复使用、维修或回收。

木工是一种和人类本身一样古老的做法。艺术和工程各占一半，它比喻地和字面上塑造了我们周围的世界。然而，尽管木工无处不在，但它是一项困难和耗时的技能，导致家具等手工木制品的价格相对较高。由于这个原因，我们周围的许多木制家具往往，至少在某种程度上，是由机器制造的。一些机器可以高度自动化，并通过人类设计师在计算机上创建的设计进行编程。这本身就可能是一个非常技术性和创造性的挑战，到目前为止，许多人都无法企及。

东京大学创意信息学系的研究人员已经创建了一个3D设计应用程序，可以快速、轻松、高效地创建结构木构件。他们称之为Tsugite，日语中细木工的意思，通过一个简单的3D界面，在木工或3D设计方面经验很少或没有经验的用户可以在几分钟内创建功能木结构的设计。然后，这些设计可以指示铣床雕刻结构部件，然后用户可以按照屏幕上的说明将这些结构部件拼接在一起，而不需要额外的工具或粘合剂。

“我们的目的是让没有特殊经验的人可以接触到细木工艺术。当我们在用户研究中测试界面时，3D建模新手不仅设计了一些复杂的结构，而且还喜欢这样做，“研究人员Maria Larsson说。“Tsugite使用起来很简单，因为它可以引导用户一步一步地完成这个过程，从一系列现有的设计开始，然后可以根据不同的目的对这些设计进行修改。但更高级的用户可以直接跳转到手动编辑模式，以获得更自由的创造力。

Tsugite为用户提供了木接缝的详细视图，即所谓的体素，本质上是3D像素，在这种情况下是小立方体。这些体素可以在要连接的组件的一端四处移动；这会自动调整相应组件末端的体素，从而保证它们紧密配合在一起，而不需要钉子或甚至胶水。可以连接两个或更多组件，并且软件算法将相应地调整所有组件。不同的颜色告知用户关节的属性，例如它们滑动在一起的难易程度，或者潜在的弱点等问题。

Tsugite的独特之处在于，它将制造过程直接纳入到设计中。这意味着，具有物理限制(如自由度、刀具大小等)的铣床只能给出它们能够创建的设计。3D打印机与铣床有着共同的祖先，困扰着3D打印机用户的是，3D打印机的软件并不总是能确定机器本身的行为方式，这可能会导致打印失败。

“在计算机图形学领域，有一些关于如何对各种各样的关节几何进行建模的伟大研究。但这种方法往往缺乏对制造和材料特性的实际考虑。“Larsson说。“反过来说，结构工程和建筑领域的研究可能在这方面很深入，但他们可能只关注少数几种节点。我们看到了将这些方法的优势结合起来创建Tsugite的潜力。它可以探索各种各样的关节，但又能将它们保持在现实的物理限制之内。“。

将制造限制纳入设计过程的另一个好处是，Tsugite的底层算法可以更容易地导航到它们可以呈现给用户的所有不同的可能性，因为那些物理上不可能的可能性根本不会作为选项提供。研究人员希望通过进一步的改进和进步，Tsugite不仅可以扩大到设计家具和小型建筑，还可以设计整个建筑。

“根据联合国的数据，建筑和建筑业排放的二氧化碳几乎占全球排放量的40%。木材可能是我们拥有的唯一天然和可再生的建筑材料，而高效的细木工可以进一步增加可持续发展的好处，“Larsson说。例如，当木材与细木工连接时，而不是金属固定时，它减少了混合材料。这对分类和回收很有好处。此外，脱胶接头可以在不破坏建筑构件的情况下拆卸。这为建筑物在其他地方拆卸和重新组装提供了可能性。或更换有缺陷的部件。这种重复使用和维修的灵活性增加了木材的可持续性好处。“。

参考文献：Maria Larsson，Hironori Yoshida，Nobuyuki Umetani和Takeo Igarashi，2020年10月的“Tsugite：交互式设计和制造木材关节”，第32届ACM年度用户界面软件和技术研讨会(UIST‘20)论文集。DOI：10.1145/3379337.3415899。

这项研究得到了JST ACT-I资助号JPMJPR17UT、JSPS KAKENHI资助号17H00752和JST CREST资助号JPMJCR17A1的支持。