4D打印,比3D打印更聪明!

2013-10-23 14:43 来源:国际先驱导报 作者:谢来

核心提示: 4D打印本质上其实就是利用复合材料进行的3D打印,通过这种方式增加了一项功能,那就是变形。

麻省理工学院(MIT)的科学家们,将可延展和不可延展的两种材料混合打印到同一物体中,从而使得3D打印产品能够自行变形,给3D打印增加了智能的维度,实现4D打印。

麻省理工学院(MIT)的科学家们,将可延展和不可延展的两种材料混合打印到同一物体中,从而使得3D打印产品能够自行变形,给3D打印增加了智能的维度,实现4D打印。

《国际先驱导报》记者 谢来 发自北京

还记得漫画《七龙珠》中的“万能胶囊”吗?一粒随身携带的小药丸,只需扔出去,“嘭”的一声后,就能瞬间变形成五花八门的现代化工具:摩托车、飞船甚至房屋。这个异想天开的场景或许将在不久的未来成为现实——借助最新的4D打印技术,科学家能给物体添加“时间”的纬度,让它们变得拥有“智能记忆功能”,在特定条件下自动“变形”为预先设定的形态。

“不用遥控的机器人”

今年年初在美国加州举办的TED(技术、娱乐、设计的英文缩写)大会上。麻省理工学院(MIT)自动化实验室创始人,28岁的建筑设计师、计算机科学家斯凯拉·蒂比斯表演了一个技惊四座的“魔术”。

他拿出两根貌似普通的长绳扔进水中,绳子很快就发生了不可思议的变化:第一根绳子像有生命一般,慢慢地卷曲、变形,然后自动形成了字母“MIT”的字样。另一根绳子则似乎在做机械运动,折叠成多个90度直角,最后形成了一个规整的立方体框架。

整个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,在进行自我加工变形。

那么,这个“魔术”究竟是如何做到的?实际上,初看无特别之处的长绳是带有关节的4D打印复合物,其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身原来长度的两倍;另外一种材料则可以在水中保持固定形态。借助设计软件和3D打印机,蒂比斯将可延展和不可延展的两种材料混合打印到一缕绳线中,只要将它放入热水浸泡,用不了多久就可以弯曲变形成预先设定的形状。

“4D打印本质上其实就是利用复合材料进行的3D打印,通过这种方式增加了一项功能,那就是变形。”蒂比斯说:“这就像是机器人,只是没有了电线和发动机。”

换句话说,4D打印是在原有3D打印技术的基础上,赋予材料自动变形的能力,研究人员通过软件完成建模,将想要的性状输入材料当中,变形材料就会按照预先的设定完成变形。目前的4D打印需要外部能量来刺激内在的变化,例如TED大会展示的模型就用水来作为触发条件。

有人注意到,绳子的变形看上去很像记忆金属的功能。事实上,两者的基本原理相似。作为一种特殊的合金,记忆金属在外力作用下会产生变形,当把外力去掉,在一定的温度条件下,能恢复原来的形状。但多半只能在两种状态间切换,而且其长度、宽度等规格受到很大的限制。4D技术生产的自动变形材料则更加高科技,能在软件控制下完成多种形态变化。

人们相信,与3D打印相比,4D打印能够创造出有智慧、有适应能力的新产品。如果说前者让人们随心所欲地创造各种外形的物体,后者则更进一步,让物体的材质发生颠覆性革命。

美军为何热衷投资4D打印?

距离4D打印技术的首次亮相仅仅半年时间,美国陆军就宣布,已拿出一笔85.5万美元的资金用于开发4D打印技术。军方将赠款授予了美国匹兹堡大学、哈佛大学和伊利诺伊大学的3个研究小组。

如果说3D打印技术方兴未艾,那么4D打印则实实在在处于概念阶段,美国军方为何就已迫不及待地对此领域进行投资?

“如果你拥有一种能多次改变其属性和形状的材料,那么它就能有多种用途。”领头4D打印研究的哈佛大学教授詹妮弗·刘易斯指出。这些新材料可用于研发适应环境的仿生组件,根据外部刺激来重新改变它们的形状和功能。这能够代替那些固定的,或者仅仅只能改变形状的组件。

想象一下,一件用4D打印技术制成的作战服,它能在不同的环境下变换出不同的迷彩色,甚至可能通过折射光线来让士兵们隐身。或者一种能根据环境改变属性的钢材,它能大大提高坦克的性能。

美国匹兹堡大学教授和首席研究员安娜·巴拉斯称:“我们希望设计出具有适应性的仿生复合材料,能根据外部刺激改变其形状、属性和功能,而不是静态的或简单改变其形状的材料。”

此外,美国海军现已开始在军舰上测试利用3D打印技术制造的弹药和无人驾驶飞机(UAV)。但这项技术推广应用的一大障碍是组装。打印出3D组件本身并不困难,但要将它们组装到一起则需要大量人力。而4D打印技术则有望通过特殊的打印技术和材质制造出能自动组装的部件。

未来,利用4D打印技术有望开发出类似“万能胶囊”一样的帐篷,平时可折叠存放,只要接触水便膨胀变成一顶完整的帐篷;还可能开发出能够自动修补的防御工事、桥梁、公路,其会弥补自身裂痕。

[责任编辑:韩冬]
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