3D打印还没用上,4D打印就要来了
陈根 陈根

3D打印还没用上,4D打印就要来了

4D新增加的维度是一个我们一直看不到也摸不着,但又是时刻陪伴着我们人生的时间。

目前通俗的理解4D打印就是在3D打印的基础上增加了时间元素,也称为时间维度T。4D打印技术的首次提出是在洛杉矶举行的《科技、娱乐、设计(TED)》大会上由麻省理工学院自我组装实验室的科学家斯凯拉•蒂比茨通过一组产品的自我变形、组装演示,让4D打印技术正式走入我们的视野,并借此对这一新技术建立了认知。

在传统的维度概念中我们很难认知与理解4D的概念,从1D、2D到3D都是基于物理空间的维度层面所发生,也是我们感官视觉能够直观理解的层面(图:1D到4D)。而4D的到来似乎超越了我们目前所建立基于三维空间维度的认知,而其新增加的维度是一个我们一直看不到也摸不着,但又是时刻陪伴着我们人生的时间。这个新增加的维度时间可以说是一个非常抽象,但又客观真实存在的,正是基于这种真实却又抽象的概念就形成了目前对于4D打印的一种相对比较直观的表述,即4D打印,打印时间。

                                            1D到4D

这并非停留在未来学中的虚幻概念,而是麻省理工所研究的一项新技术,并且在TED大会上真实展示出来的一项技术。在整个展示过程中,一根4D打印的复合材料在水中完成了自动变形、组装。根据会上介绍(图:蒂比茨介绍4D打印),打印这根复合材料的打印机并非新的神奇技术,而是借助于当前的3D打印机“打印”,但所使用的原材料可谓神奇,为一根塑料和一层能够吸水的“智能”材料组成。蒂比茨称:“打印过程并不是新鲜的东西,但关键是打印出来后发生的变化。”而这也正是4D打印技术的关键所在。


蒂比茨介绍4D打印

年仅28岁的建筑设计师、计算机科学家斯凯拉•蒂比茨是4D打印研究项目的负责人。他所发明的4D打印目前还只能在水里工作,也就是说其触发介质目前还只认知水。据蒂比茨介绍,4D打印技术背后的核心是自我组装、自我变形技术,而这项技术已经在纳米级上应用多年。比如,自我折叠的蛋白质(注:蛋白质可凭借相互作用在细胞环境(特定的酸碱度、温度等)下自己组装自己,这种自我组装的过程被称为蛋白质折叠。蛋白质折叠问题被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题,它是分子生物学中心法则尚未解决的一个重大生物学问题。)目前就获得了比较广泛的应用(图:自我折叠蛋白质),如果将这一技术进一步延伸,应用于建造大桥、高楼、生物器官、生活用品中,那将会带来超过我们认知的颠覆。而基于这一技术的延伸就意味着4D打印技术进入生活应用层面并非遥不可及,而是触手可及,将以很快的速度来到我们身边。


自我折叠蛋白质

从严格意义上来说,提出4D技术概念是来源于生物学。蒂比茨所演示的4D打印技术在研究过程中,先是在生物分子学教授亚瑟•奥尔森的指导下,通过3D打印技术配合嵌入式磁铁,设计了一组可以自我组装的零件,只需用力晃动烧杯,杯中的零件就像有了意识一样,自动组装成一个脊髓灰质炎病毒的3D模型,这个实验就是4D打印技术的最初原型,也正由此证明了4D打印技术的可行性。

之后蒂比茨就开始了4D打印技术的商业应用探索,并拜访了目前世界最大的3D打印机生产商Stratasys公司的项目负责人,在交流过程中得知Stratasys公司最新在打印材料领域的研究获得了新的突破,该公司刚刚发明了一种可以在水中变形的高分子聚合材料。这种新材料的独特之处在于一旦接触到水,就可以自动延展到自身长度的两倍。

正是基于这一新材料的技术,帮助了蒂比茨快速的研发出了4D打印这一新技术。借助于设计软件与3D打印机,蒂比茨将可延展和不可延展的两种材料混合打印到一根圆形体中,之后将这跟圆形棒放入水中,此时材料就发生了神奇的变化,自我弯曲、变形,似乎具有自我思考能力一般的组装出了麻省理工学院的缩写“MIT”(图:4D打印MIT)。


                                               4D打印MIT

在此基础上,蒂比茨进行了更为复杂的二次实验,这次他又加入了更复杂的算法和设计。如果说第一次探索试验是在平面阶段的话,那么这次的探索则是在三维空间层面,也就是物体在三维空间层面的自我组装、变形(图:MIT的4D打印技术)。而这一次也同样是将所要自我变形的设计打印到一根圆形体中,而后将其放入水中,借助于水为触发介质实现自我组装、变形成为立方体。


MIT的4D打印技术

对于蒂比茨来说,这项实验显然取得了重大成功与突破,而这也正标志着4D打印技术的到来,将从实验室走出,并走向大众生活中。由4D打印技术所带来的改变将更为深刻、彻底,比如目前困扰于各大城市的地下排水系统,如果将4D打印应用到管道的打印中,由4D打印技术建造出收缩自如的排水管道。当台风来临时,或者大暴雨来临时,城市的排水管道将会根据排水量的增大自动变得更大,从而促进排水,而当水流量过去之后,管道又自动缩回为原来的大小(图:可自变形的管道)。


                                              可自变形的管道

这些管道还可以根据地下的空间情况进行弯曲、扭动以及特定位置的变形,我们不必担心其在地下破裂,也不必为洪峰来临的泄洪能力而困扰,它会自动根据水流量的大小而变形。不仅如此,在地质灾害频发的地区,这种管道甚至可以自我组装和修复。这种“神奇”的技术正是4D打印,它正在以超越我们认知的能力与速度闯入了这个世界,而伴随着它的到来将改变整个商业生态。

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