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CHI 2008 Proceedings·美学，意识和素描 2008年4月5日至5日·意大利佛罗伦萨
LilyPad Arduino：使用计算机纺织来调查
计算机科学教育中的参与，美学和多样性
Leah Buechley，Mike Eisenberg，Jaime Catchen和Ali Crockett
工艺技术组，计算机科学系
科罗拉多大学博尔德分校
Boulder，CO 80309 USA
leah.buechley，duck，jaime.catchen，@ colorado.edu，alicrockett@gmail.com
摘要：
与可访问的嵌入式计算平台相结合的新材料（如导电纤维）的出现使得可以重新想象织物和电子工艺的风景——用电子/计算纺织品或电子纺织品的创意范围扩展这些风景。本文介绍了LilyPad Arduino，一种基于面料的建筑套件，使新手能够设计和构建自己的柔软可穿戴设备和其他纺织品。该套件包括微控制器和各种传感器和执行器，可编程封装。这些元件可以用布线基片和导电线缝合，以构建电子纺织品。本文将介绍套件的最新版本，反映其能力，介绍我们最新用户研究的结果，并讨论了个性化电子纺织品设计领域未来工作的可能方向及其与技术教育的关系。
作者关键词
LilyPad Arduino，计算纺织品，电子纺织品，电子纺织品，智能纺织品，可穿戴式电脑，建筑工具包。
ACM分类关键词
K.3.0 [计算机与教育]：一般; H.5.2
[信息界面和介绍]：用户界面，C.3 [专用和基于应用的系统] - 微处理器/微机应用，实时和嵌入式系统。
介绍
在过去十年中，“人机交互”的概念已经扩大到适应更广泛的“计算”同样扩大的画面。 人们不再专门与桌面应用程序进行交互，而是随着计算媒体的兴起，包括手持式计算机，“智能”或自适应的传感器设备环境以及机器人宠物等。在许多新颖或意外的活动过程中，人机交互发生：在驾驶时，在运动时，在处理“Furby”玩具，在以塑料或金属打印三维物体时。
即使计算机媒体的范围不断扩大，与此同时，人类计算机互动的范围也是我们集体对技术态度的一些基本问题。关于技术的大部分基础修辞在节省劳动力方面描述了这一点，通过自动化避免了假定的苦差事，或者使洗衣机、麦考密克收割机或电动开罐器的传统更加简单和快捷。另一个常见的修辞主题是在电脑时代之前，通过录制音乐或游乐场游乐设施，以及最近由街机视频游戏、iPod和自适应玩具，技术作为娱乐或分心的来源。这两种修辞传统又反映了互动研究的具体主题：“劳动节约型”传统强调诸如快速（和无差错）使用，易于学习和提高生产力等主题，而“娱乐”传统则强调 （再次）轻松学习，掌握用户的注意力，不同娱乐技术之间的比较偏好等等。
这些传统技术作为自动化和技术作为娱乐，可以指出在提高人类状况方面取得巨大成功（在计算出现之前和之后）。但是，还有另一种思考技术的方法，它们自身也是设计和衡量交互的其他主题。这是技术的主题，作为扩大和民主化人类表达和创造力技术的范围，作为乐器设计、油画和可访问的编程语言。举几个例子，在这个传统中，互动主题集中在用户是否能够做事情或表达以前超出范围的事情，以及他们对技术媒体本身的深刻和令人满意的理解。在这种传统中，“易于使用”是一个更模糊的概念：在新媒体中获得专业知识可能并不容易（考虑学习弹奏单簧管的难点），但是如果设计精良，新技术奖励长期的经验和个性化专业知识的发展。（参见[16]有关这些方面的雄辩论据。）
本文着重于我们为基于纺织品无所不在的计算开发出一种表现力的媒介 - 一种建筑工具包（称为LilyPad Arduino或简称LilyPad），它们允许学生和大人同时使用自己的可穿戴式电脑。虽然LilyPad是一个原型（事实上，一系列先后完善的原型之一），我们相信它代表了技术和交互设计“创意扩张”传统中新颖方向的一个很好的例子。在本文的下一节中，我们首先描述了LilyPad的物理和材料设计，并讨论了用该套件构建的电子纺织设备编程方法。第三部分介绍了我们针对工具包的研讨会用户研究，并讨论了我们在尝试评估和解释用户体验时强调的几个维度：创意的原创性或兴趣，套件影响他们的态度的方式，关于在电子/计算媒介中工作，用户参与的深度以及似乎对该工具包工作感兴趣的人的性质和多样性（在这种情况下特别关注性别问题）。在最后一部分中，我们讨论了LilyPad Arduino及其继承人未来工作的计划，这些创新和可访问的电子纺织品设计仍然是早期的传统。
LILYPAD ARDUINO
LilyPad Arduino是一种用于嵌入式计算的实验系统，可以让用户通过将布线安装的微控制器，传感器和执行器模块与导线缝合在一起来构建自己的软性可穿戴设备。 我们在开发套件中的目标是制作类似于乐高头脑风暴的系统。 该套件旨在吸引孩子（和大人）的计算机和电子学，并通过允许他们创造性地尝试电子纺织品，教导他们在这些领域的基本技能，与Mindstorms工具箱允许人们实验机器人相同。
硬件
2006年我们推出了第一个版本的套件[3]。 图1显示了构成该套件心脏的微控制器片段的顶视图和底视图。为了构建这个部件，我们将一个通孔封装的ATTiny26微控制器连接到由传统和导电织物组合制成的布PCB印刷电路板（PCB）。 （了解更多信息关于织物PCB，参见[4]。）贴片为2.5 x 2.5 x .5英寸（63.5 x 63.5 x 12 mm），坚固的占地面积为.825 x 1.825英寸（20 x 46 mm）。它有17个导电织物片，导致微控制器上的引脚。当用户通过带导电螺纹的接头缝合时，她在织物和线之间进行电连接。两个导电片导致芯片上的电源和接地，并且在设计中采用打补丁时将其缝合到电源。剩余的15个选项卡用作通用输入/输出（I / O）通道，可用于接收传感器输入和控制输出设备，如发光二极管（LED），扬声器和振动电机。
图1.来自第一个电子纺织品构造套件的微控制器补丁的顶部和底部视图
值得注意的是，除了在织物上的事实外，图1所示的电路看起来非常像传统的电路板。痕迹以直线布置，板本身是一个正方形。在制定董事会时，我们将我们开发的硬电路的习惯转移到织物上。传统电路板是按照一套具体的目标设计的，包括将尽可能多的组件包装到尽可能小的空间中，有效散热，并允许电路板布局和结构的自动化。经过初步的用户研究和与同事的对话，我们意识到我们的结构电路不受同样的约束和目标的束缚。其他（相当异国情调）的关注，如美学和缝制能力，对我们来说更为重要。这促使我们彻底重新设计我们的板来创建未满的本文介绍的LilyPad。
图2 LilyPad
如图2所示的LilyPad以多种方式改进了第一个微控制器补丁。（在整个文本中，我们将互换使用术语“LilyPad”，以便与图2所示的电路板以及完整的LilyPad Arduino构建套件兼容。）通过反思电路板布局，我们能够在美学和功能方面做出重大改进。首先，循环格式允许我们使用表面贴装（SMD）组件。传统电路板的薄直角线在SMD刻度上非常难以用精细的导电织物再现，但圆形布局允许我们构建从板的中心辐射出的强大的三角形迹线。
反过来，SMD组件将微控制器板的垂直高度降低五分之一，硬占地面积减少了一半以上，同时增加了更多的I / O选项卡。我们还在新设计中采用了更强大的微控制器，即ATMega168，它的内存是八倍，而ATTiny26的输入/输出引脚要大得多。 LilyPad是2.48 x 2.48 x 0.1英寸（63 x 63 x 2.5毫米），硬度为0.78 x .78英寸（20 x 20毫米），并有26个导电织物片，其中23个是通用的 I / O。使用SMD组件也使得自动化板的标签变得容易。 从图1和图2可以看出，第一套件的标签有些笨拙地用手拉，而LilyPad的标签被激光切割机蚀刻。 最后，显着地，LilyPad无疑是比第一板更具吸引力。
纺织品，特别是服装，在社会中扮演重要角色，与美学密切相关的角色。人们对于他们身体上的东西非常特别，有很好的理由。服装传达一个人的性别，宗教信仰和阶级等等[7]。传统的可穿戴计算研究人员主要侧重于技术实现和应用。 （见[2]和[14]可爱的例子。）我们认为，对这一领域的研究应该伴随着对时尚的社会重要性的欣赏以及伴随的美学和设计调查。我们觉得LilyPad的“外观”深深地影响了用户对该套件的体验。
图3 传感器和执行器，可缝合的电池座和导线的线轴
要了解我们对套件硬件的描述，我们必须介绍其配套材料。虽然LilyPad是中央组件，但该套件还包含各种I / O件，电源，导电螺纹和绝缘织物涂料。图3显示了这些组件中的一些：布料安装的倾斜传感器和振动电机，可缝合的电池座，两个织物开关，一个压力开关，另一个是钩环（Velcro）开关和一个导电螺纹。
软件
自从我们首次推出该套件以来，该软件也得到了显着改善。在初始版本中，用户必须使用传统的ATMEL微控制器编程工具来指定补丁行为。 为了编写补丁，用户必须在文本编辑器中编写代码，并使用命令行工具和特殊的编程硬件将该代码编译并加载到他的芯片上。该系统要求用户将其芯片从补丁中删除，将其插入程序板，下载程序，将其从程序员拔出，并将其放回他的修补程序中运行程序。 不用说，这个过程是非常麻烦的。
经过初步的用户研究，在此期间我们证实了这个系统真的可怕，我们开始利用一个很棒的现有工具--Arduino集成开发环境（IDE）[1] - 进行补丁编程。 Arduino IDE是更大的组合软件/硬件平台的一部分，旨在将新手引入物理计算; 完整的平台除了软件之外还包括一个Arduino硬件板。他的Arduino IDE允许用户在C或Processing中编写控制Arduino板的程序，就我们而言，LilyPad Arduino。图4显示了Arduino IDE和一个示例LilyPad程序。
图4 Arduino IDE
为了使LilyPad与Arduino IDE进行通信，我们从类似Arduino硬件的硬件构建了LilyPad，并修改了开源Arduino软件，专门支持LilyPad。我们还开发了几个库，允许用户轻松控制各种传感器和输出设备。要编程LilyPad，用户将其剪切到USB设备，为补丁提供电源，并促进计算机补丁通信。
我们想强调，我们没有开发Arduino系统。我们决定不建立一个专门的LilyPad编程环境有几个原因。首先，我们认为，我们正在探索的领域最为有趣的是“软硬件”——柔软的面料电子产品，我们希望把重点放在这一领域。第二，我们被电子纺织媒介和独特的提供者所吸引，我们希望让我们的想法和工具尽可能广泛地接触到。（在使这种媒介广泛可及的第一步中，我们刚刚发布了基于可编织（制造（硬）电路板）的LilyPad Arduino的开源商业版本。）
通过使用Arduino软件，我们不仅可以使用专业级软件和文档，还可以充分发挥Arduino用户的蓬勃发展的社区。虽然一个更简单、定制的编程环境无疑会让新手掌握得更容易，但我们认为Arduino软件提供的实际和社会效益是重要的，值得一些更陡峭的学习曲线。在参加我们的研讨会之一和结束之后，用户可以加入、贡献和学习新手友好的Arduino社区。本文报告的经验应该被看作是我们更大的愿望，引发和支持独立电子纺织爱好者社区的第一步。我们认为Arduino工具可以大大促进这一目标。
用户研究
我们现在已经举办了六个车间，采用我们的建筑工具，其中五个使用了第一个版本，一个使用了LilyPad。我们已经发现，电子纺织品车间在许多类似于乐高机器人研讨会方面引入了类似的编程和电子技能。然而，电子纺织品存在一些独特的挑战。由Legos建造的机器人可以快速拆卸并重新组装，学生通过反复测试和重建他们的设计来学习。相比之下，由于缝线很难去除，所以在开始构建电子纺织品之前，学生必须投入一定的时间进行精心的设计和设计。他使设计/构建过程更具挑战性，但电子纺织品的持久性提供了相应的优势。由于设计难以拆卸，它们坚固耐用，可以忍受使用磨损，它们可以融入人们的生活。对于我们前四个研讨会的更长的讨论，以及电子纺织媒介提出的独特的课程挑战和机遇，可以在[5]中找到。本文将重点介绍我们最近的研究。
班级结构
我们最近的研讨会是在2007年6月的一个星期举行的。该课程的题目是“学会制作自己的电子时尚”，其入学限制为10名10-14岁的学生，每个工作日三个小时 。（该课程是我们城镇夏季科学课程的一部分，被称为“科学发现”，其中学生支付参加科学课程。）在签约的学生中，有9名是女性，1名是男性，我们稍后将在多元化部分回顾一个点。
研讨会首先介绍了电路和缝纫，结合成一个我们称之为“缝纫电路”的活动，用户用导线和LED来设计简单的电路[4]。同时，学生们还通过电阻和多米制完成了这些活动。然后我们进行了一系列练习，旨在教会参与者基本的编程技巧，并介绍LilyPad套件的设施。对于这些练习，学生们在计算机站配对，每组都配有一个LilyPad，一个不同的传感器和执行器对以及一些鳄鱼夹。LilyPad连接到计算机的USB端口，通过它与Arduino软件进行通信并收集电源，传感器和执行器用鳄鱼夹剪辑到LilyPad。从示例程序开始，组被指示试验他们的设备。在本次会议结束时，每个小组都做了简短的演讲，展示了他们的节目和设备。
图5 两名女孩从事设计工作
经过这些第一天半的研讨会的探索活动，参与者有机会设计和建造自己的电子纺织品。由于早期的经验告诉我们，留给自己的设备，学生将专注于建筑和装饰，排除编程和故障排除，学
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