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4D打印!时间也可以打印?

导读: 所谓4D打印技术,就是在3D打印的基础上增加一个“时间”的纬度。所有物体都因时间而存在,物体形状改变也需要时间。3D打印是预先建模再打印出成品,而4D打印的逻辑,是把产品设计通过3D打印机嵌入可以变形的智能材料中,在特定时间或激活条件下,无需人为干预,也不用通电,便可按照事先的设计进行自我组装。

  俗话说:“你永远跟不上科技的脚步。”在我们刚刚开始有点了解3D打印并为之惊叹的时候,科学狂人已经开始思考4D打印将如何改变这个世界。2月25日,在美国加州长滩市举办的TED2013大会上,来自美国麻省理工学院的斯凯拉·蒂比茨向我们展示了4D打印技术的无穷魅力。

  所谓4D打印技术,就是在3D打印的基础上增加一个“时间”的纬度。所有物体都因时间而存在,物体形状改变也需要时间。3D打印是预先建模再打印出成品,而4D打印的逻辑,是把产品设计通过3D打印机嵌入可以变形的智能材料中,在特定时间或激活条件下,无需人为干预,也不用通电,便可按照事先的设计进行自我组装。4D打印是一个动态过程,它的创新在于“变”。

  28岁的建筑设计师、计算机科学家斯凯拉·蒂比茨是4D打印研究项目的负责人,他在麻省理工学院的自我组装实验室有一个750升的大鱼缸,足以养活一头鲨鱼。他发明的4D打印机目前还只能在水里工作。据蒂比茨介绍,4D打印技术背后的核心是自我组装技术,而这项技术已经在纳米级上应用多年。“自我折叠的蛋白质的确很酷,但如果把这项技术应用于建造大桥和高楼,那会是怎样?”

  蒂比茨先是在生物分子学教授亚瑟·奥尔森的指导下,通过3D打印技术配合嵌入式磁铁,设计了一组可以自我组装的零件,只需用力晃动烧杯,杯中的零件就像有了意识一样,自动组装成一个脊髓灰质炎病毒的3D模型。这个实验证明了4D打印技术的可行性,但是摇晃烧杯实在是太耗费体力了。

  几个月后,蒂比茨见到了世界最大的3D打印机生产商Stratasys公司的项目负责人,他们刚刚发明了一种可以在水里变形的高分子聚合材料。这种新材料一旦接触到水,可以延展到自身长度的两倍。借助设计软件,蒂比茨将可延展和不可延展的两种材料混合打印到一缕线中,只要将这缕线放入热水中,用不了多久就可以弯曲变形,构成麻省理工学院的缩写“MIT”。在第二次实验中,他又加入了更复杂的算法和设计,使得放入水中的线弯曲成立方体,展现出3D的效果。

  对于蒂比茨来说,这项实验取得了重大突破。设想这项技术应用到地下排水系统,4D打印机可以建造出收缩自如的排水管道。当飓风来临时,管道可以变得更大利于排水,当洪峰过去后,管道又缩回原来的大小。不仅如此,这些管道还可以根据需要弯曲、扭动、变形,而不用担心破裂。在地质灾害频发的地区,这种管道甚至可以自我组装和修复。

  蒂比茨同时也表示,目前4D打印技术有两个瓶颈,一个是还没有找到合适的智能材料。所谓智能材料,是一种能感知外部刺激,能够判断并进行适当处理的新型功能材料,具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我诊断能力、自我修复能力和超强适应能力。目前4D打印技术使用的材料只能感应水的刺激,但希望将来能找到可以感受光、声、热甚至时间的新型智能材料。另一个瓶颈是打印机的规模太小。如果想打印大型工程,必须使用大型材料,要有高精度且可靠性较高的打印机,但目前来看,这种打印机的造价太高。

  据蒂比茨和他的团队介绍,目前的4D打印机只能打印条状物体,实现一维到二维,一维到三维的变化,今后他们要设计打印出片状物体、然后是立体物体,实现二维到三维,三维到更复杂结构的变化。可以想象,在4D打印的时代,产品将变得更加智能化和人性化,空间站和卫星将能实现自我组装和自我修复,危险地区的工程将不再需要人的参与,桥梁、水坝、公路、房屋……一切都将按照设计自行建造。《变形金刚》里的场景将不再只是银幕上的幻想,可变形的汽车将更加安全、方便、可靠。人们只需坐在电脑旁,根据自己的想法和需要,设计出适合自己的产品,然后轻点一下“打印”便大功告成。

  听起来不可思议。事实上,3D打印机从构想到广泛应用于生产、生活中只用了20年的时间。在科技高速发展的今天,我们完全有理由相信,在不远的将来,4D打印成为一种可能。

 

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