4D打印初現(xiàn)光芒

劉露

2013年，在美國(guó)加州舉辦的TED（技術(shù)、娛樂、設(shè)計(jì)的英文縮寫）大會(huì)上，麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家斯凱勒·蒂比茨為大家表演了一個(gè)技驚四座的“魔術(shù)”。

他將兩根貌似普通的長(zhǎng)繩扔進(jìn)水中，繩子很快發(fā)生了不可思議的變化：一根繩子像有生命一般，慢慢地卷曲、變形，然后自動(dòng)形成了字母“MIT”的字樣；另一根繩子則似乎在做機(jī)械運(yùn)動(dòng)，折疊成多個(gè)90度直角，最后形成了一個(gè)規(guī)整的立方體框架。整個(gè)過程完全沒有人工參與，看起來(lái)就像是材料擁有了自我意識(shí)，在進(jìn)行自我加工變形。

這個(gè)“魔術(shù)”究竟是如何做到的？實(shí)際上，初看無(wú)特別之處的長(zhǎng)繩主要由兩種材料合成。一種是高分子聚合物，在水中可以延展到自身原來(lái)長(zhǎng)度的兩倍；另外一種材料則可以在水中保持固定形態(tài)。借助設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)，蒂比茨將可延展和不可延展的兩種材料混合打印到一縷繩線中，只要將它放入熱水浸泡，用不了多久就可以彎曲變形成預(yù)先設(shè)定的形狀。

這就是4D打印技術(shù)。4D打印并不是“第四維度”，4D打印比3D打印多出的一個(gè)“D”指的是時(shí)間維度，人們可以通過軟件設(shè)定模型和時(shí)間，變形材料會(huì)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)變形為所需的形狀。

形象地講，4D打印技術(shù)=3D打印技術(shù)+時(shí)間，即由3D打印技術(shù)打印出來(lái)的復(fù)合材料，隨著時(shí)間的推移，慢慢發(fā)生自我調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自我變形。這種變形是在打印之前就設(shè)定好的。換句話說，4D打印是在原有3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，賦予材料自動(dòng)變形的能力，研究人員通過軟件完成建模，將想要的形狀輸入材料當(dāng)中，變形材料就會(huì)按照預(yù)先的設(shè)定完成變形。目前的4D打印需要外部能量來(lái)刺激內(nèi)在的變化，例如TED大會(huì)展示的模型就用水作為觸發(fā)條件。

當(dāng)然，不是所有材料和水接觸后都能完成“自主組裝”，解碼和材料選擇是關(guān)鍵。蒂比茨將想要制作的內(nèi)容進(jìn)行解碼，這是一種類似于解析人類DNA序列的逆向工作。然后，他選擇普通塑料和一種活性物質(zhì)（蛋白質(zhì)），將解碼后的序列植入其中。接下來(lái)奇跡就出現(xiàn)了，這些帶著“智慧”的物質(zhì)會(huì)按照設(shè)想發(fā)生形變，“它們可以扭轉(zhuǎn)正120度、負(fù)120度，直至到達(dá)最精確的位置”。

“要知道，打印其實(shí)并不是一個(gè)新鮮的概念?！钡俦却恼f，“可是當(dāng)它涉及未來(lái)的變化時(shí)就不一樣了。我們可以隨意生成很多架構(gòu)，利用材料的彎曲和扭轉(zhuǎn)來(lái)改變生活中的很多方面。如果地下水管能夠?qū)崿F(xiàn)自我伸縮，以應(yīng)對(duì)不同的需求和流量，這樣就能夠節(jié)省掉挖掘街道的步驟了?！?/p>

與3D打印需要建模、掃描不同，4D打印更為智能，物料可自行創(chuàng)造，簡(jiǎn)化了打印過程。4D打印讓快速建模有了根本性的轉(zhuǎn)變。與3D打印的預(yù)先建模然后使用物料成形不同的是，4D打印直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡(jiǎn)化了從“設(shè)計(jì)理念”到“實(shí)物”的過程。讓物體如機(jī)器般“自動(dòng)”創(chuàng)造，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備。蒂比茨說：“這就像是機(jī)器人，只是沒有了電線和發(fā)動(dòng)機(jī)?！?/p>

4D打印技術(shù)牽涉到對(duì)特殊材料的應(yīng)用，這些材料在感知到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或是暴露于水、空氣、重力場(chǎng)、磁場(chǎng)或感知到溫度改變時(shí)會(huì)改變自身的形狀。4D打印技術(shù)的出現(xiàn)，有可能在未來(lái)徹底顛覆傳統(tǒng)的制造工業(yè)，讓制造行為在一些嚴(yán)苛的環(huán)境條件，如外太空，變得更加容易。

4D技術(shù)的出現(xiàn)讓業(yè)界為之振奮，這種分形藝術(shù)的奇妙讓全世界的設(shè)計(jì)師和建筑師為之癡狂。想想看，你只需要在電腦前將一座摩天大樓進(jìn)行解碼，然后輸入到特定的材質(zhì)當(dāng)中，它就可以自動(dòng)“長(zhǎng)”出屋頂、承重墻以及電梯間……

此外，這一技術(shù)還有可能應(yīng)用到家具、自行車、汽車甚至是醫(yī)療領(lǐng)域。不過，由于解碼的步驟非常復(fù)雜，所以目前4D打印技術(shù)還只能“打印”可以自動(dòng)變形的條狀物體。接下來(lái)蒂比茨和他的同行們的研究目標(biāo)是“打印”片狀物體，然后才是結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的物體。盡管還不夠完善，但蒂比茨顯然已經(jīng)觸摸到改變未來(lái)世界的“門把手”。

有人甚至預(yù)測(cè)，4D打印技術(shù)將使得房屋建筑真的可以自動(dòng)“長(zhǎng)”出屋頂、承重墻。傳統(tǒng)建筑過程一般是先設(shè)計(jì)出圖紙和模型，再按設(shè)計(jì)施工建造，甚至還要一邊搭建一邊調(diào)整模擬的設(shè)計(jì)效果。不過，在4D打印時(shí)代，產(chǎn)品將變得更加智能化和人性化，危險(xiǎn)地區(qū)的工程將不再需要人的參與，橋梁、水壩、公路、房屋……，一切都將按照設(shè)計(jì)自行建造。人們只需坐在電腦旁，根據(jù)自己的想法和需要，設(shè)計(jì)出適合自己的產(chǎn)品，然后輕點(diǎn)一下“打印”便大功告成。

4D打印技術(shù)目前還不成熟，但研究人員相信，4D打印不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，還可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至建筑行業(yè)，與此前的3D打印技術(shù)相比，它將具有更大的發(fā)展前景，帶來(lái)生物科學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)器人、交通運(yùn)輸甚至太空探索領(lǐng)域的革命性變化，未來(lái)它的發(fā)展前景將十分廣闊。對(duì)此，我們拭目以待！

【責(zé)任編輯】趙新宇endprint