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越來越熱的3D打印概念讓人眼花繚亂:只要有3D設計圖紙,3D打印機就能夠讓它變爲現實。就在3D打印還未能普及應用、仍處於試驗階段時,4D打印的概念又橫空出世。
比起3D打印,4D打印則更爲神奇:它直接把程序嵌入了材料中,能夠讓材料自動變形,使打印出來的零件實現自動組裝,“就像是沒有了電線和發動機的機器人。”4D打印概念的提出者斯凱拉·蒂比茨(Skylar Tibbit)說。
不過目前普遍認爲,4D打印仍止於概念的階段,要真正得到研發上的突破並轉化爲產業應用,還有一段很長很長的路要走。
●南方日報記者李秀婷
核心技術是“自我組裝”
4D打印的概念來自於今年2月26日在加利福尼亞舉行的TED(科技、娛樂、設計)大會。大會上,麻省理工學院自我組裝實驗室的斯凱拉·蒂比茨(Skylar Tibbit)向觀衆們演示了這一神奇的技術。
4D打印技術的核心是“自我組裝”。按照斯凱拉·蒂比茨的解釋,自我組裝是一種把各個無序的零部件組成一個有序的結構的過程,這一切都只通過材料自身的相互作用來完成。
怎樣才能使材料自我組裝?這需要特殊的材料以及使材料發生改變的介質。斯凱拉·蒂比茨說,可以使用被動式能源作爲介質,比如熱力、抖動、氣壓、重力、磁力等。同時也需要設計得非常巧妙的交互方式,而且這些交互方式可以糾錯並讓已成型的物體改變狀態。
斯凱拉·蒂比茨演示了一段材料自動變形組裝的視頻。把一條用多種材料打印出來的鏈子浸在水裏,它自我摺疊成了字母M.I.T(美國麻省理工學院)。在另外一個演示裏,一條鏈子浸在水池裏後,它自動摺疊變成了一個三維結構的立方體,沒有任何人力的影響。在這裏,使得材料完成自我組裝的介質就是水。
這些演示簡單闡釋了4D打印的概念:同樣是利用多種材料進行三維打印,但比起三維打印多了一種能力,就是變形。“一旦從車牀上下來,這些不同的零部件就可以直接自發地變成其他的形狀,就像是沒有電線或者馬達驅動的機器人”。
斯凱拉·蒂比茨介紹,他們正在與Autodesk(歐特克)合作開發一款Project Cyborg軟件,可以模擬自我組裝行爲,並且優化某些部件在何時摺疊變形的設計。“最重要的是,我們可以利用同樣的軟件設計納米級的自我組裝系統,以及人類生活中的自我組裝系統。”
用於極限環境下的建造
斯凱拉·蒂比茨介紹,在微觀納米級上,如今的技術可以通過編程使物理和生物材料改變形狀和屬性。有一款名爲cadnano的軟件可以用來設計各種三維物體,比如納米機器人或藥物傳輸系統,以及利用DNA自我組裝各種功能結構。
但是在宏觀的人類社會生活中,還有很多問題沒有被這些納米級技術解決,最顯著的是在建築業和製造業。這些行業存在效率低下、能源消耗巨大、人工技能需求過多等問題,而自動組裝技術可以在這些行業引發革命。
比如在鋪設管道方面,4D打印技術就大有可爲。斯凱拉·蒂比茨說,目前的水管都是固定容積、固定流量的,而且還要使用昂貴的水泵和水閥。人們把它們埋在地底下,如果有任何變動,比如環境變化、地基移動或者需求改變,就得從頭再來,把它們挖出來再換新的。
但是如果能夠應用4D打印技術,就可以省去不少麻煩。斯凱拉·蒂比茨透露,目前他們正與波士頓Geosyntec公司合作,開發一種新的管道模板。“想象一下如果水管可以膨脹或者收縮來改變容積、改變流量,甚至可以自己起伏蠕動來傳輸水,這就不需要昂貴的水泵或者水閥了,這是一個完全可程序化和自我調節的管道。”
斯凱拉·蒂比茨介紹,他所在的“自我組裝實驗室”致力於爲實際生產環境開發可程序化的材料,而有的在短期內就能得到應用,其中之一就是在太空等極限環境下:他們正在爲太空環境設計可以完全重置和自我組裝的結構,可以自我轉化成各種功能強大的系統。
不過,華中科技大學材料科學與工程學院副院長、中國3D打印技術產業聯盟第一副理事長史玉升對它並不看好。他說,4D打印技術仍停留在研發階段,尚不具備大規模應用的可能,而它傳入國內的更像是一個神祕的概念。
“在3D打印尚受到技術和材料等因素的制約,還未轉化爲真正的產業應用的當前,4D打印概念依然很縹渺。”史玉升說。