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4D打印打破关门映入眼帘 比3D打印更“活”

2015-10-26 10:55
铁马老言
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  3D打印一出现,就成为热门,技术更新迭代,总让人应接不暇。如今,当3D打印还在蓄势待发之时,4D打印已打破关门,跳入人们眼帘。

  4D比3D打印多的一个“D”,即时间维度。4D打印物不再是静止的,而是智能的且随时间变化的。

  随着时间的变化,或者在某个条件的触发之下,这些静态的打印物可能会“活起来”。有了这项有趣的新技术,也许在未来,打印出的造型花朵能够随着时间逐步绽放开来,而拿在手头的一根拐杖或许会在下雨时自动撑开变成雨伞,那时生活又将会凭添不少新的乐趣。

  能够智能变化的4D打印技术

  4D打印技术最初是由MIT(麻省理工学院)的研究人员提出的,其概念是在3D的基础上加上时间这个维度——可编程材料能在特定的条件下随时间组合成预设的形态。4D打印中的材料是那些会响应外界作用或环境因素而改变形状的材料,如遇水、空气或者温度变化。

  在早先TED(即technology, entertainment, design在英语中的缩写,技术、娱乐、设计,是美国的一家私有非盈利机构,该机构以它组织的TED大会着称。)的一次演讲中,MIT这项研究的负责人斯凯拉·蒂比茨就展示了“智能材料”打印的物品如何自动折叠成一个盒子,另外还有一段会自动收缩成“MIT”字母形状的材料——两根4D打印出来的线,初看并无特别之处,放到水中后,就发生了不可思议的变化:一根线慢慢地卷曲、变形,然后自动形成了“MIT”的字样;另外一根线,则像有生命一般自己立起来,折叠,变成了一个立方体。虽然这两个变化都是蒂比茨预先设定好的,但是由于整个变化过程完全没有人工的参与,看起来就像是材料拥有了自我意识。

  这些都被认为是研究人员首次将形变的程序嵌入到了材料本身。在这段蒂比茨公布的视频中,这根线实际上是一根多串的PVC复合材料管,它在水中完成了自我变形,过程中没有使用打印机器,水则作为能量来源。

  “你设计出产品并且打印出来,而它能够进化。它就像在材料中植入了智慧。”蒂比茨说,“这就像是没有线和电机的机器人。”4D打印技术将创造出一种能够在被打印出来之后发生改变的物体,而且它们能够进行自我调整。这项技术由麻省理工学院自组装实验室,和3D打印机制造商Objet Connex合作开发的。

  可对4D打印形状进行编程

  如何让打印品自主变形呢?其实蒂比茨展示的那两根线,主要由两种材料合成。一种是高分子聚合物,在水中可以延展到自己原来长度的两倍;另外一种材料则可以在水中保持固定。在利用电脑建模的时候,蒂比茨设定,一旦这个合成材料接触到水,延展性所构成的部分就会自动变形,和固定的部分一起,组成了之前设计好的形状。

  在原有3D打印技术的基础上,研究人员通过软件完成建模,将想要的形状输入到材料当中,变形材料就会按照预先的设定完成变形。不过,目前的4D打印需要外部能量来刺激内在的变化,如蒂比茨展示的模型就用水来作为触发条件。

  而近期据国外媒体报道,研究人员发现,使用具有形状记忆的、对热量感应敏感的材料,4D打印技术能够制造出复杂的自我折叠的结构物。这项技术是由乔治亚技术学院和新加坡科技大学开发的。它能创造3D结构物,使扁平材料自动连续自我折叠,或滚成货运用的管子。元件对温度、湿度或光的反应敏感,能精确合成空间结构体、可展开的医药器件、机器人、玩具及其他各种结构物。

  该研究团队期望这项技术能得到广泛的应用。比如,无人操纵的航空器,原设计使命是巡航,变形后可以潜水。再比如,3D元件原来的设计是平面的或是管状的,目的是为了便于运输,现在可以变形为其他想要的3D结构。

  未来生活中或占据重要地位

  在很多人眼里,4D打印再怎么酷炫也没有什么用。不过,说不准在以后的生活中,它们就将占据重要的地位。蒂比茨的团队制造的那些木板和碳纤维可以说融合了传感器、逻辑和输出技术,有望能够改变各种各样的东西,从飞机到衣服,再到平装家具。

  自组装实验室里,蒂比茨和两位合作者克里斯托弗·古博兰恩及埃里克·德梅内在研究可应天气变化而变形的衣服。这样的实验室顾名思义就是专注于使得东西能够自行组装。举例来说,它开发的一系列小木板在接触到水分的时候会变成大象玩具。而想想看,未来你从宜家拖回来一堆板材,完全不需费力组装,或许可碰一下水或者通过什么其他方式的触动,即可自行组装该有多方便。

  有团队在尝试利用该项技术制造更加智能的赛车尾翼。车手转弯的时候,摩擦产生的热量会触发碳纤维中的热敏材料变形。因此,该尾翼会发生变形,从而优化气体动力学,取得更快的车速。另外,同样的碳纤维也可以用于提升喷气式发动机的效率,降低碳排放量。

  蒂比茨的研究重点并不在于使用高端的设备,而是在于充分利用其团队的聪明才智以全新的方式看待材料。

  “我们已经习惯于让材料为我们所用,不过材料性能里还存在很多的工艺。”蒂比茨说道,要使得那些材料广泛普及,还需要进行改良,以及获得监管机构的批准。但他认为,最重要的还是使得工程师改变他们对可编程性的看法。

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