3D打?。嚎稍烊f物的機器

如果你有一臺可造萬物的機器，你會用它做什么？

在英國，技術(shù)人員通過掃描奧運短跑運動員的腳和腳踝，把數(shù)據(jù)輸入計算機，經(jīng)過計算機幾步簡單的計算后，技術(shù)人員就能夠3D打印出專屬每個運動員的新鞋，這雙鞋符合運動員的體形、體重、步態(tài)和偏好。

在世界的另一端，美國國家航空航天局在亞利桑那州的沙漠中測試了一艘火星飛船，飛船甲板上裝有定制的3D打印金屬部件。這些部件大多形狀復(fù)雜，有許多曲線和鏤空，除了3D打印機，其他任何設(shè)備都生產(chǎn)不出來。

在日本，一位準媽媽想要紀念其首次超聲波檢測，她的醫(yī)生編輯她的超聲圖像，并3D打印出栩栩如生的胎兒模型。結(jié)果，一個透明硬塑料塊中就出現(xiàn)了一個前衛(wèi)的3D打印微小胎兒塑料模型。

這些制造奇跡不斷發(fā)生。在不遠的將來，人們將3D打印出活體組織、富含營養(yǎng)的食品及完全組裝好的電子元件成品。

3D打印開辟了新的前沿領(lǐng)域。隨著普通民眾也能夠設(shè)計和生產(chǎn)電動工具，制造業(yè)和商業(yè)模式將發(fā)生巨大變革，知識產(chǎn)權(quán)法將徹底失效。

“我手里握著制造業(yè)的未來！”

有些人清楚地記得自己是在什么地方觀看的人類首次登月，還有些人對柏林墻轟然倒塌后幾周里的混亂狀況記憶猶新，我卻記得我第一次聽到3D打印時的情景。

那是20世紀80年代末在一場乏味的制造工程研討會上。教室里很暖和，不幸的是教授的聲音低沉、單調(diào)而舒緩，我和同學(xué)們昏昏欲睡。

教室的門“砰”的一聲打開，打破了這個下午講座上昏昏欲睡的平靜。一名陌生男子沖進了教室，這位奇怪的闖入者聲稱他是庫比特系統(tǒng)公司的推銷員。我們以前從來沒有聽說過這家公司，而這家公司卻是當時世界上僅有的銷售3D打印機的兩家公司之一。

這名一頭亂發(fā)的推銷員不斷地晃動著一個塑料物體，并聲稱一場制造業(yè)革命正在醞釀之中?！拔沂掷镂罩圃鞓I(yè)的未來！”他大聲叫道，“這個塑料物體是由一種能夠‘打印’塑料的激光打印出來的?！?/p>

出于好奇，我和同學(xué)們湊過去想知道他為什么會來我們班上。我們的教授察覺到了我們的興趣，明智地將課堂交給了這位活躍的闖入者。后來我們才知道，庫比特推銷員是我們教授邀請的客座講師。

我們彼此低聲問道：“他剛才是說他用激光打印出了那個東西嗎？”我們試圖弄明白這一意想不到的表演是怎么發(fā)生的。

當推銷員曝出另一條爆炸性消息時，我們變得更加困惑了。

他說：“你們這里所看到的所有齒輪、把手、旋鈕都不是組裝出來的，它們都是按照一個個單獨的、預(yù)裝配的不同部件一起有序打印出來的?！?/p>

當這位精力充沛的闖入者要愉快地結(jié)束他的演講時，教室里混亂的“嗡嗡”聲變得越來越大，他甩出了最后的數(shù)據(jù)觀點：一臺計算機，而不是一個人，可以在整個生產(chǎn)過程中充當一雙“手”操控這臺神奇的機器。

庫比特系統(tǒng)公司推銷員笑著問我們是否有問題要問，我們都精神起來，爭先恐后地向他發(fā)問。

他說他用激光“打印”出了所有的塑料部件，這是什么意思呢？什么樣的制造設(shè)備能夠?qū)⒉考淮涡陨a(chǎn)出來，而不需要進行組裝呢？它能打印塑料以外的其他材料嗎？還有，當然了，個人購買這樣一臺設(shè)備要花多少錢？

傳統(tǒng)制造感覺瞬間過時。

我仍然記得那一天，這位客座講師的熱情演說使我確信，這種神奇的設(shè)備確實會引發(fā)一場產(chǎn)品制造和設(shè)計的革命。我從來沒有見過物體的軟件設(shè)計與其實體表現(xiàn)之間聯(lián)系如此緊密。

那一天是20年前，我們預(yù)料的革命沒有如期迅速爆發(fā)。幾年后，庫比特系統(tǒng)公司停業(yè)了。如同許多開創(chuàng)性技術(shù)一樣，庫比特系統(tǒng)公司的3D打印工藝過于復(fù)雜和低效，機器設(shè)備昂貴，利潤率敏感的制造企業(yè)難以接受。

但普通民眾能夠像編輯數(shù)碼照片一樣毫不費力地撕裂、混合并打造實體物體，這只是時間問題。

哈利·波特的魔杖復(fù)活了

如同童話故事里的魔杖，3D打印能讓我們掌控物理世界。3D打印賦予了普通人強大新穎的設(shè)計和生產(chǎn)工具，人們可以獲得專業(yè)設(shè)計師和制造業(yè)大企業(yè)所獨有的設(shè)計和制造能力。

在未來的3D打印世界里，無論何時何地，人們需要什么就可以打印什么。

當然，技術(shù)雖然好，也要看人們怎樣應(yīng)用。有人可能會用來制造武器或不受監(jiān)管地生產(chǎn)出甚至有毒的新藥。我們的環(huán)境也可能很快被滿足各種需求的打印塑料產(chǎn)品垃圾所充斥。生物打印帶來的倫理挑戰(zhàn)將比干細胞引發(fā)的爭議更復(fù)雜。黑市商人則會受到利益驅(qū)使，通過制造和銷售有故障的機器零件來快速賺取黑心利潤，那些豆腐渣工程在關(guān)鍵時刻往往會出問題。

大多數(shù)人第一次聽到3D打印時，他們就想到了那些老式的、常見的桌面打印機。噴墨打印機和3D打印機最大的區(qū)別是維度問題，桌面打印機是二維打印的，在平面紙張上噴涂彩色墨水，而3D打印機可以制造拿在手上的三維物體。

3D打印機依據(jù)計算機指令，通過層層堆積原材料制造產(chǎn)品。在人類歷史的大部分時間里，我們通過切割原料或通過模具成型制造新的實體物品。

3D打印的技術(shù)名稱是“增材制造”，這是對實際打印過程比較貼切的描述。3D打印獨特的制造技術(shù)讓我們能夠生產(chǎn)前所未有的各種形狀的物品。

3D打印不是一種新技術(shù)，3D打印機已在制造機加工車間默默地工作了幾十年。在過去的幾年里，由于受到計算能力、新型設(shè)計軟件、新材料、創(chuàng)新推動及互聯(lián)網(wǎng)進步的推動，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速。

計算機在3D打印過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，沒有計算機發(fā)出的指令，3D打印機就會癱瘓。3D打印機正常運作的前提是要輸入一個設(shè)計好的電子藍圖或設(shè)計文件，它們負責告訴3D打印機在哪里放置原材料。事實上，沒有連接計算機及設(shè)計文件的3D打印機是沒有用處的，就像沒有存儲音樂的iPod。

3D打印過程如下：3D打印機在設(shè)計文件指令的導(dǎo)引下，先噴出固體粉末或熔融的液態(tài)材料，使其固化為一個特殊的平面薄層。第一層固化后，3D打印機打印頭返回，在第一層外部形成另一薄層。第二層固化后，打印頭再次返回，并在第二層外部形成另一薄層。如此往復(fù)，最終薄層累積成為三維物體。

3D打印機不像傳統(tǒng)制造機器那樣通過切割或模具塑造制造物品。通過層層堆積形成實體物品的方法從物理的角度擴大了數(shù)字概念的范圍。對于要求具有精確的內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設(shè)計， 3D打印機是首選的加工設(shè)備，它可以將這樣的設(shè)計在實體世界中實現(xiàn)。

3D打印部件和產(chǎn)品正在蔓延到日常生活中。你的汽車儀表盤的設(shè)計就借助了3D打印原型，確保各部件緊密地配合在一起。如果你戴助聽器，3D打印可以使用光學(xué)掃描數(shù)據(jù)，捕捉你內(nèi)耳的精確形狀，實現(xiàn)定制生產(chǎn)。

牙科診所借助X射線不到一個小時就可以打印定制的牙冠。在體內(nèi)安裝用鈦和陶瓷打印的假膝蓋已經(jīng)風(fēng)靡世界。如果你有幸乘坐波音公司的新型飛機- - -波音787夢想飛機，你已經(jīng)將生命托付給至少32種3D打印的部件。

3D打印技術(shù)的秘密可以概括如下：就將復(fù)雜設(shè)計變成實體物品而言，3D打印機比其他生產(chǎn)模式（如人工生產(chǎn)或機器生產(chǎn)）更精確、更通用，可以將一個復(fù)雜的設(shè)計通過組合不同的原材料以過去不可能的方式制造成實物。

如今，一般家用3D打印機可以制造鞋盒大小的塑料物品。工業(yè)領(lǐng)域的3D打印機可以制造大到汽車、小到肉眼幾乎無法看到的針頭等物品。有些研究人員開始嘗試用3D打印機打印小型房屋大小的混凝土結(jié)構(gòu)。而在微觀的角度，另外一些研究人員已經(jīng)打印出肉眼幾乎看不到細節(jié)的物體。

跨越虛擬世界和實體世界的鴻溝

20世紀90年代中期，電子商務(wù)和數(shù)字媒體還處于起步階段。在充滿奇妙預(yù)測的1995年暢銷書《數(shù)字化生存》中，作者尼古拉斯·尼葛洛龐帝預(yù)測道：“娛樂原子”正在消亡。在數(shù)字媒體粉墨登場的幾年前，尼葛洛龐帝準確預(yù)測了娛樂傳媒的實體形態(tài)（傳統(tǒng)的圖書出版、光碟租賃和大型電視網(wǎng)絡(luò)）將面臨與恐龍同樣的命運。

集中控制的大眾媒體和圖書出版的消亡只是開始。20世紀末，信息開始走向數(shù)字化。21世紀，虛擬世界將與實體世界更緊密地聯(lián)系在一起。

虛擬世界是一個可以在其中自由選擇的地方。在視頻游戲里，人物可以跨越建筑物、長出新的手臂、變身成為不同的實體形狀。虛擬世界也很容易編輯和修訂。雖然改變一棵真樹的樹皮顏色是不可能的事，但在數(shù)碼照片中改變樹的顏色卻很簡單。虛擬世界的行為可以被編程。如果實體對象的詳細信息可以通過設(shè)計文件捕捉，設(shè)計的數(shù)字“原料”就可以模塊化，由屏幕上微小的離散光點或像素構(gòu)成。

3D打印技術(shù)將跨越虛擬世界與實體世界的鴻溝。當然，懷疑論者會立即指出，數(shù)字世界和實體世界已經(jīng)有了一些交匯點。畢竟設(shè)計和制造工藝已經(jīng)由計算機驅(qū)動了數(shù)十年，現(xiàn)在大規(guī)模生產(chǎn)幾乎實現(xiàn)了完全自動化（除了最后一步，即勞動密集型裝配流水線）。

虛擬世界和實體世界的融合將是一個緩慢而微妙的過程，這一過程具有階段性。首先，我們要獲取實體物品的形狀；其次，我們上升到新階段，控制其材料組成；最后，我們要控制實體物品的行為。

制造現(xiàn)實中不可能的形態(tài)

3D打印機可以詳細闡釋數(shù)字化設(shè)計文件，帶我們到接近充滿豐富的創(chuàng)造力和自由的虛擬世界。如果你看動畫片，顯然，屏幕上的畫面就是用計算機設(shè)計的：恐龍在現(xiàn)代化的地鐵站里漫步，狀如禿鷹的飛行機器戰(zhàn)士用致命激光掃射所經(jīng)之處。

如果影片在動畫和現(xiàn)實之間來回切換，對觀眾來說，在計算機繪制的充滿豐富想象的多彩世界和現(xiàn)實生活中顯然有一個明確的界限。欣賞3D打印的前景和風(fēng)險的方法之一是思考掌控材料世界的鐵律。由于3D打印機分層形成物品，它們可以塑造過去只有在自然界存在的形狀，曲線、鏤空與復(fù)雜的內(nèi)腔制造將成為可能。

目前的挑戰(zhàn)是原子以不可預(yù)知的方式走到了一起。數(shù)字設(shè)計在計算機屏幕上令人震驚，但理論上被制造出來后隨時會坍塌，因為它不能突破重力和材料限制。相比之下，數(shù)字世界讓我們放飛想象的翅膀，自由創(chuàng)造。數(shù)字世界急需制造出現(xiàn)實生活中不可能的形態(tài)。

在融合的第二階段，3D打印會給我們帶來對物質(zhì)構(gòu)成和材料構(gòu)成的精確控制。多材料3D打印機將為新產(chǎn)品的生產(chǎn)打開大門，這種新產(chǎn)品由嚴格控制的原材料構(gòu)成，其整體性能將大于部分之和。

試想，在一個水彩調(diào)色盤中，將藍色和黃色混合，可以形成無數(shù)深淺不同的綠色。在自然界中，22種氨基酸以不同的方式組合，創(chuàng)造出可以形成驚人物種的蛋白質(zhì)。配備精確的設(shè)計文件的多材料3D打印機，可以將熟悉的原材料混合成全新的組合。

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，我們將看到很多由當前不可行的材料混合制成的物體。我們將看到可以自我修復(fù)的機器部件，或者看到可以將其長度延伸近10倍的無線網(wǎng)格。醫(yī)療設(shè)備將對特定病人的血型作出回應(yīng)，或檢測其體溫變化。

控制材料組成的第二個渠道與第一個稍有不同。有一天3D打印機會制造出可控的材料。

在虛擬世界中，所有的信息無論多么復(fù)雜，最終都可歸結(jié)為它的本質(zhì)，那就是兩個基本單位：1或0；相反，實體物品由豐富的、非模塊化的螺旋結(jié)構(gòu)的原材料制成，它的基本單位是原子，不那么規(guī)則且難以控制。由于材料在實體世界具有多樣性，很難有意義地捕捉數(shù)字形式的“模擬”材料。結(jié)果是，模擬材料很難被精確地復(fù)制、控制和編程。

不兼容的原子是制造商的噩夢。誠然，3D打印機不能粉碎開放的原子，使它們更具可塑性。但是，3D打印機可以做的是將一度不能兼容的原材料巧妙地結(jié)合在一起，打印成單一的物品。

“請把我的鞋子傳真過來”

當我們毫不費力地對實體和虛擬形態(tài)進行移形，并且實體物品順利地在比特和原子間轉(zhuǎn)換時，最終的融合就到來了。在線文檔也可以以同樣的方式打印在紙上、掃描然后再打印，總有一天，實體物品會轉(zhuǎn)換為比特和原子然后再轉(zhuǎn)換回來。

在《數(shù)字化生存》一書中，尼葛洛龐帝提到，實體世界不容易轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。原子很重，運費較高。實體存儲占用空間。原子按照預(yù)先定義的方式牢牢結(jié)合在一起。

尼葛洛龐帝寫道：“如果你制作毛衣或中餐，我們將它們轉(zhuǎn)換成比特需要很長的時間。‘將我傳上去，斯科蒂！’雖然這是一個美好的夢想，但幾個世紀內(nèi)都不可能成真。在此之前你只能依賴聯(lián)邦快遞、自行車、運動鞋將你的原子從一個地方運到另一個地方?！?/p>

可能有一天，3D打印機會成為最重要的傳真機。如果虛擬世界和實體世界真的不相互排斥，我們可以毫不費力地將物品從一個地方傳到另一個地方。

現(xiàn)在，我們可以“傳真”簡單的實體物品。我曾和一個同事（考古學(xué)教授）一起開展一個研究項目，他從事幾千年前楔形文字的譯解研究。為了開展研究，他經(jīng)常前往中東各國的考古遺址。

最近我的這位同事從國外歸來，一直為不能將珍貴信息帶回家困擾。古楔形文字是寶貴文物，發(fā)現(xiàn)者會及時交給所在國政府?？脊艑W(xué)家們試圖通過拍照或精心刻畫字符的形狀捕捉一些信息，遺憾的是真實的東西不能帶回。

我和我的同事決定做一個實驗，看看我們能否將寶貴的楔形文字從一個地方傳真到另一個地方。我們認為可以用CT掃描他收集的幾個楔形文字，然后將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成設(shè)計文件，并通過3D打印機創(chuàng)建楔形文字的副本。

我們認為如果實驗成功，下次我同事去國外時可以說服地方當局讓他用CT掃描當?shù)氐膶氋F文物，然后他可以將設(shè)計信息發(fā)送到附近（或遠處）的3D打印機上與其他人分享。他可以為文物所屬國家提供寶貴的保存服務(wù)，因為他們也可以存儲楔形文字CT掃描件和3D打印副本的數(shù)據(jù)。

我們發(fā)現(xiàn)，“傳真”楔形文字相當簡單：首先，我們將CT掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成設(shè)計文件；其次，我們3D打印出楔形文字的不同尺寸、不同材料的復(fù)制品。

最重要的是，在楔形文字傳真實驗過程中我們獲得了一個意想不到的收獲，即CT掃描可以捕捉楔形文字字樣的外部和內(nèi)部。幾百年前，研究人員就已經(jīng)了解到許多楔形文字以鏤空的方式書寫，但到現(xiàn)在為止，看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的唯一方法是打碎它。CT掃描和3D打印楔形文字副本的一個好處是，你可以愉快地將復(fù)制品敲碎讀出內(nèi)部書寫的內(nèi)容。