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3D打印已过时?且看4D打印强势登场

来源: OFweek工控网

3D打印技术势头渐起,更强的4D打印技术又闪亮登场了。自20世纪80年代后期以来,3D打印技术已经越来越复杂精密;TED员工Skylar Tibbits,一位艺术家及计算建筑师,正在酝酿下一个技术变革——这就是4D打印,其中第四维度是时间。这一新兴技术可以让我们打印出能自改变或自组装的物体。试想一下这样的情景:一个打印出来的管子就在你眼前进行折叠,或者可以感应到需要自动扩张或缩短。曾经的科幻场景也许可以呈现在现实之中,如何不令人兴奋激动、血脉贲张?

何为3D打印技术?

3D打印技术实际上是一系列快速原型成型技术的统称,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其工作原理与普通打印机相同,也是将打印机内装上液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。2005年,市场上首个高清晰彩色3D打印机SpectrumZ510由美国ZCorp公司研制成功。3D打印的应用范围之广超乎人们的想象,理论上说,几乎只要存在的东西都可以通过3D打印机复制出来。目前,利用3D打印技术,人们已经成功打印出3D比基尼、3D汽车、3D飞机,在2012年11月,苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出了人造肝脏组织。

4D打印技术闪亮登场

也许大部分人刚刚接触3D打印,还在兴奋不已地展望其无限光明的发展前景,科学家们却没有止步于此,更为强大的4D打印技术已经闪亮登场了。

首先弄清楚什么是4D打印技术。4D打印就是指通过软件设定模型和时间,变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。除了以往的三个维度以外,第四个维度就是指时间,也就是说打印出的对象的形状将会随着时间慢慢改变。

在不久的将来,你将可以从“宜家家居”(IKEA)买到这样的椅子,带回家后它就会在你眼前进行自我组装。而且,在那个未来世界里,如果你患上癌症,纳米级机器人会被注射进你体内,它们会追踪并选择性地杀掉癌细胞。在这个过程中除了稍稍有些发热,你几乎什么都感觉不到。

感应椅子与灭癌机器人也许听起来像是科幻小说中的东西,但是实际上大型软件公司Autodesk的生物/纳米/可编程物质部门主管CarlosOlguin正在研发的两个项目。Autodesk,这一成立于1980年代加利福尼亚的一个古里古怪的公司,已经从为8位个人电脑设计AutoCAD设计软件摇身一变致力于设计未来可编程的生命形式。

“我们现在将生命看作设计领域,”Olguin说。近日我们在伦敦遇到了他,他正忙于合成生物调查工具的巡回展。“我们正试着探索惰性世界以外的领域(inertworld),然后看看怎么才能将从设计业中学到的东西应用于有机生命之中。

 

实现这一跳跃的工具拥有一个颇具未来主义色彩的名字——半机械人项目(Project Cyborg),Auto公司这样描述这一创举——“一个为可编程设计软件提供的基于云端的元平台”。这就是将来。“半机械人项目”将会革新设计者的思维方式,训练材料进行自我构建并且自适应周遭环境。实际上,这是一个异常复杂的软件——远程运行在超级计算机群支持的网络上——使得建模、模拟、设计优化过程看起来非常简单又超级迅捷。

“在以前建模过程需要几周才能完成,而且要由博士后水平的人来操作。但是现在,几秒钟就能完成了,而且相对来说还会很轻松,”Olguin说。“我们正试着让这一技术‘去技巧化’。”

目前,从麻省理工学院的建筑学研究人员到哈佛的生物科学家都在对“半机械人项目”的功能进行测试。建筑学家Skylar Tibbits是麻省理工学院自组装实验室的领头人,现在正在研究小到纳米级大到建筑物级的自组装结构模型。

“我们正在观察通过对物理和生物材料进行编程来改变其形状和性质的可行性,我们甚至在考虑用硅以外的材料进行计算,”Tibbits在二月份召开的TED大会上说。他展示了一个可自我折叠的链条,这是由Stratasys开发的应用于3D打印的“智能”材料,这种材料在与水接触时可以自折叠成管状。他还解释了将这种技术推广应用在水管网等基础工程中的工作机制。

“水管容量是固定的。所以,如果环境改变、地形变动或者要求变化了,我们就需要把所有水管都挖出来,从头再开始铺设,”他说。但是使用可编程及可自我构建和改造的材料之后,可以进行设定让水管扩张或缩短,水管甚至可以模仿人类肠子那样蠕动,驱使管内的水流动起来。“这就像机器人一样,只不过没有电线和发动机,”他说。Tibbits预见到,这一技术可以用于构建从家具到自行车、汽车甚至建筑等一切物体,自组装可以用不同的能源驱动,如热力、抖动、引力及气体力。

在微观世界中的应用

Tibbits主要着眼于这一技术在建筑方面的应用,与此同时,另一些人将目光转向了用显微镜都难以观察到的微观世界中。在哈弗大学怀斯学院(Wyss Institute),Shawn Douglas(现在在洛杉矶市加利福尼亚大学工作)Ido Bachelet以及George Church一直在研究如何在“DNA折叠”过程中利用Autodesk公司软件构建纳米级蛋白质分子结构。纳米级DNA机器人最初是由哈弗大学怀斯学院研发的。

“DNA是一种非常好的结构材料,”Olguin说,“因为我们完全可以预测其折叠方式”。Douglas曾使用DNA链研发了一种类似蚌壳结构的纳米级机器人,只有在遇到特定癌细胞时,DNA的双螺旋“锁”才会打开。蚌壳打开后就会释放特定抗体来抑制癌细胞的生长,其工作机制类似于我们体内的白血球。这是具有革命性意义的一步,有朝一日这种技术会取代严重伤害机体的化学疗法。

4D打印的发展

在这一全新领域中,研制智能药物只是“半机械人项目”的目标之一。现在正在进行的项目有追踪机械通风建筑中的细菌培养以及自组装家具等等,可以想见,设计师们思考及操作的方式将从根本上发生改变。

“在开始学习设计时,我们通常是采用自上而下的方式来实现心中所想,”Olguin说。“这是一种不同的设计范式:我们只需设定参数,让材料自身去发展和演化。”


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