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3D打印+自动组装 4D打印充满无限活力

2019-07-05 11:40编辑:admin人气:


  3D打印,这个已经发展超过20年的技术,最近两年突然成为热得发烫的名词。它已经从极客(技术狂人)在实验室里的玩具,进入正儿八经的制造业。而它的身后,4D打印也要来了。

  3D的意思我们都懂,就是三维立体。3D打印直观上的解释就是打印出一件立体的东西。4D呢?三维再加一维。这一维可以是很多东西,通常指的是时间。问题是,时间看不见、摸不着,如果一切都没什么变化,你甚至无法感知时间。所以当我们谈时间时,谈的其实是变化。关于时间的恰当解释是:宏观上物质状态不断变化的过程。

  那么,4D打印的意思就是先用复合材料进行3D打印,对于打印出来的物品,我们赋予它一种新的能力这就是变化。这是4D打印概念的提出者、美国麻省理工学院的研究科学家斯凯拉蒂比茨(SkylarTibbits)给出的解释。

3D打印+自动组装 4D打印充满无限活力

  3D打印+自组装=4D打印

  在今年早些时候的一次美国TED(技术娱乐设计)演讲中,蒂比茨首次提出4D打印概念。他说的变化能力,叫做自组装(Self-Assemble),也就是物体不经过人为控制,自动变成预先设计好的形态。不过,光有概念是无法打动人心的,到底他说的自组装是什么意思?3D打印出来的物品究竟会怎样自组装呢?

  在演讲中,蒂比茨演示了两个已有的4D打印成果,帮助观众理解自组装是怎么回事。第一个是脊髓灰质炎病毒的模型。该模型放在瓶子里,蒂比茨晃动瓶子,剧烈的震动让病毒散架了。但当他停止晃动时,神奇的事情发生了,本来已经散架的模型又慢慢回到原来的样子。

  可能有人要问:不是说好无人干扰吗?晃动瓶子可不算啊。好吧,说的也在理儿,但恢复成蛋白质结构时确实没有人为干扰。蒂比茨接下来给出的一个例子或许更有说服力这是一条看起来像链子的东西。把链子放进水里后,它变成了连在一起的MIT字母形状,也就是麻省理工学院(蒂比茨所任职大学)的英文缩写。另一个演示是把链子浸在水缸里,它自动折叠成了一个三维立方体。这些过程没有任何人为干扰,这条链子自发变成了一个人为设计的形态。显然,它肯定经过事先的编程处理。

  对于这种编程,蒂比茨没有在演讲中透露更多细节,但从他的例子中我们可以得出一些基本结论:为了完成自组装,我们首先需要特殊的材料。这种材料很可能是纳米级别,它对某种外界影响非常敏感,比如重力、压力、热量、磁性或者水之类的具体物质,再通过模拟程序,演算出现实环境中材料的变化情况,以此调整材料的组成和结构。于是当它遇到敏感源时,就能与之互动,最终变成事先设计好的形态。

3D打印+自动组装 4D打印充满无限活力

  目前,4D打印还是一个概念,并且这个概念并不新。实际上它的核心技术自组装,在自然界里随处可见。DNA(脱氧核糖核酸)复制、RNA(核糖核酸)转录、合成蛋白质,这些生命的延续过程,实际上都是自组装,而且非常精密,和计算机有得一拼,远不是目前纳米材料的特性所能比的。

  先让水管智能起来

  在TED发布4D打印的演讲视频后,很多人在讨论自组装的技术原理是什么,但更多的人可能会说:一根自动变成MIT字母的链子?嗯,这听起来很酷。但,它能帮我干什么呢?只需要想象一下,你从宜家买回一把椅子(我们都知道那其实是一堆零件),当你拆开包裹后,它就开始自己组装,然后慢慢变成一把真正能让你坐上去的椅子。而整个过程,你只需要当一名合格的观众,站在一旁观赏即可。

  当然现实还没发展到这一步。目前蒂比茨的计划是与波士顿的Geosyntec公司合作,开发一种新型水管。这种水管可以根据水流变化自发膨胀或者收缩,改变流量,甚至可以通过蠕动来推动水流。这意味着,它可能不需要管道疏通,也无需水泵或者阀门,这是一个完全可程序化和自我调节的水管。想想现实中那些脆弱的管子吧,如果能让它们不那么容易出状况,就足够让人兴奋了。

  3D打印目前相比传统制造技术,并无特别巨大的优势。但在极端环境下,我们现有的制造技术则劣势明显。它所需的设备可能过于庞大、危险、昂贵或太过复杂,而升级到4D打印技术就会有明显的好处。太空就是一个很好的例子,传统制造技术在太空中极难发挥应有的功效,但那里却是自组装技术的好舞台。无重力是一个很好的激活环境。蒂比茨声称自己正在针对太空环境设计可以自组装成型的结构,进而转化成各种功能强大的系统。

  如果我们想得更远,会发现自组装技术会让物流成本直线下降。宜家每次都寄一堆零件让我们自己组装,原因就是这样节省运输成本,并且在运输过程中货物不易损坏。但如果货物都实现了自组装,它们就可以非常规则地装箱,甚至就是一块平板。这时体积就不再是限制,集装箱可以成倍输送货物。结果就是快递费大减,这可能远比制造业革命更让普通消费者关心。再远一点,钢铁侠的变形盔甲?终结者里的液态机器人?好吧,有点想太多了。

  重塑这个世界

  在科学界,模仿生物自组装的研究很常见。

  至少在6年前,同样是来自麻省理工学院、同样站在TED演讲舞台上的科研人员尼尔格申费尔德(NeilGershenfeld),就介绍过类似于自组装的研究,其间他也用特制材料自动组成了字母MIT。这位麻省理工学院比特和原子中心的头儿,来头远比蒂比茨大。他和同事成立了一个微观装配实验室,对特质材料的零件实施编码和模版构建,使其完成自我复制,而生成物的尺寸,可以小到纳米大到房子。后来格申费尔德还开了一门课叫怎样制作任何东西

  这样看起来,4D打印似乎一点儿不特别,那它的要点在哪儿?

  这个点在3+1。所谓的自组装,也就是4D里的第四维,是建立在前三维的基础上。也就是说,已经有了成型的3D制品,才在它身上加上变化的能力。蒂比茨没有做概念上的创新,但他做了一个组合。这个组合最核心的价值在于改变制造业重塑这个世界,这是蒂比茨喊出的最响亮口号。

  如何重塑世界?改变制造业?怎样改变制造业?降低制造的复杂度。4D打印也许能做到。当今制造业残酷的现实是,组装零件和制造流程非常复杂,以至于任何一张工业设计图纸都不是正常人类能看懂的。其实很多构造都是为了满足复杂的现实情况而设计的,是为了让产品在现实世界里更可靠,不得已而为之。但如果能够让材料自动适应环境,则制造工艺的复杂度很可能大幅降低。这才是4D打印概念最吸引人的地方。

  在这一概念被提出后,很多科研人员跟进了这个研究。美国军方似乎也看到了前景。最近美国陆军研究办公室就资助了一个研究团队关于4D打印的研究,团队成员是分别来自匹兹堡大学、哈佛大学和伊利诺伊大学的各领域专业人士。

  想象一下,军方的需求可能是一种装甲车涂料,适应潮湿环境,保护车体免受腐蚀,也可能是一种军服,可以根据环境有效伪装,或者更有效地防御毒气攻击。而研究团队的解决方案则是,运用内含刺激敏感型水凝胶的响应填料,加上精确的3D打印技术,制造一种感光后能改变颜色、根据温度可改变透气性的衣料。在烈日下的森林,这件衣服接收到绿光后即变成绿色,加强了伪装,并且分子变得稀疏,衣服变得很透气让人不禁感叹美国大兵的日子越过越舒服。

  假如4D打印技术最终能从象牙塔中大规模走上应用前台,它将使硬件得到更多创新性应用,使产品随机应变地满足更多极端要求,未来将有种种神器想我所想、急我所急。

(来源:未知)

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