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2015-02-26 02:03:42
廈門科技 2015年1期
4D打印：讓世界可編程
無論是可以自行搭建的房屋，還是變形機器人，要實現(xiàn)這些“未來感”十足的概念，都可以從研究簡單結構開始——比如管道。現(xiàn)在的城市中，給排水管所使用的還是埋入地下的、流量固定的硬質管道。一般情況下，這套系統(tǒng)運行起來沒什么問題，但如果需要增大對某一地區(qū)的供水量，或者遇到水管破裂時，我們就不得不將整段水管挖出來進行更換。
一種可行的替代方案是，采用可根據指令或壓強而改變形狀，或能在破裂時自行修補的管道?，F(xiàn)在，隨著計算機輔助設計(CAD)和材料等領域不斷進步，開發(fā)出這樣的管道已經不再是幻想。這些進展，以及由此帶來的全新設計，將會為我們帶來一個遍布著可編程物體（具備自組裝能力，可根據指令改變外形或性質的實物）的新世界。
現(xiàn)在，科學家已經著手開發(fā)自組裝設備了，只不過它們還非常微小——僅有納米級，可以用作生化傳感器、電子設備，或是給藥載體。我們感興趣的是，當可編程物體的大小達到人體尺度時，又會是怎樣一番情形呢？要實現(xiàn)這一目標，主要有兩種方法：一是制造出獨立的、能自動結合或分離的基礎構建模塊，用來組成更大的可編程結構；而另一個方向是，建造具有單一完整結構的變形物體，即在物體的恰當位置嵌入鉸鏈、應力點或電子設備，讓它們在需要的情況下改變形狀。我們稱第二種方法為4D打印。同3D打印一樣，4D打印也是通過逐層下料來構建物體。區(qū)別是，通過4D打印，可以制造出能在一定條件下改變外形或性質的物體。
使用可編程物體，可以節(jié)省原料、能源和勞動力——想象一下，椅子能夠自己變成桌子，還有那些柔軟的、能自我修復的輸水管道。這樣，就可以在不需要人工參與的情況下，建造出結構復雜的機器。在外層空間等惡劣環(huán)境中，這類系統(tǒng)尤其具有價值。例如，可以將一個小型壓縮包發(fā)射到太空中，進入預定軌道后，就能自動變形為一顆具有特定功能的人造衛(wèi)星。其他用于外層空間的設備也可以設計成多種用途，比方說太陽能面板陣列，在需要時能夠變形成為拋物面天線或儲物艙。
不過，可變形物體同樣會帶來前所未有的風險。想象一下一個能被黑客劫持的世界：黑客們可以蓄意破壞變體飛機的機翼；也能夠命令建筑在內部還有人的情況下自動拆解。此外，因為產品可以從一種形態(tài)變成另一種，知識產權的相關問題也會變得更加錯綜復雜，由此引發(fā)的專利問題可能是管理部門想都沒想過的。這些風險的存在，使得我們必須仔細評估這種革命性技術，以便從一開始就建立相應的解決方案、控制措施以及管理政策。
微型機器人
從上世紀90年代初開始，雖然人數(shù)不多，但已經有一些富于想象力的科學家在討論可編程物體了。不過直到2007年，該領域的研究才獲得了快速的發(fā)展。當時，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助了一項 “可編程物體”的研究。DARPA提出的是一項歷時數(shù)年的研發(fā)計劃，目標是設計和建造微尺度級別的機器人，能夠組合或變形為更大型的軍用系統(tǒng)，如實體展示器或專用天線。研究人員將機器人縮小到毫米級尺度，差不多相當于一根鉛筆的粗細。在幾年的時間內，他們已經成功地展示了體積微小的變形機器人。
蒂比茨（本文作者之一）一直在探索，如何使用4D打印來建造不需要傳統(tǒng)機器人結構（馬達、電線和電子設備）的機器。在麻省理工學院自組裝實驗室（Self-Assembly Lab）里，他和同事研制出了大量成果，其中就包括一種利用特殊聚合物制成的蛇形物，能在注水后折疊出字母“MIT”（麻省理工學院的英文縮寫）的形狀，這種單鏈聚合物還能自動從“MIT”自動變成 “SAL”（自組裝實驗室的英文縮寫）的形狀；還有一種平面結構，可以自行折疊成截角八面體；以及一種平圓盤，在接觸水時會變成彎曲的折疊結構。
在打印特殊柔性結構的過程中，美國弗吉尼亞理工大學的克里斯托弗·B·威廉姆斯（Christopher B.Williams）為其植入了合金鋼絲和印刷電路。打印完成后，通過外界信號就能觸發(fā)柔性結構，改變物體形狀。這種方法在機器人、家具組裝和建筑等領域中都具有很好的應用前景。
威廉姆斯與坎貝爾（本文的另一位作者）合作，又向前邁進了一步——他們將4D打印同納米材料結合在一起。在打印出的物體中嵌入納米材料，就可以制造出能在電磁波（可見光和紫外光）的作用下改變屬性的多功能納米復合材料。例如，利用會在不同光照條件下改變顏色的嵌入式納米材料，該研究小組打印出了 “Virginia Tech”（弗吉尼亞理工大學）的標志。進一步發(fā)展和完善后，在這類新材料的基礎上，可以開發(fā)出全新的傳感器，能夠植入醫(yī)療設備，用于測量血壓、胰島素水平和其他醫(yī)學指標的極限數(shù)值。
計算上的難題
今天，用3D打印做出靜態(tài)的 “MIT”或者“Virginia Tech”的標志都不算什么難事，只需要將你想要的物品的相關信息輸入3D打印機就行了。然而，要打印出能改變形狀的物品，還需要設計可通過程序來控制的特性，如應力點和可彎點，或將納米材料嵌入物品。然而，這樣的工程設計又帶來了計算方面的棘手難題，因為它們已經超出了當前CAD的能力。
例如，想打印出一種能從桌子變成椅子的物品。雖然從拓撲學上來說，桌子變成椅子有很多種途徑，然而在現(xiàn)實中，其中大多途徑都無法實現(xiàn)。因為在變形過程中，物品往往會被自身結構阻擋，甚至纏繞在一起。要尋找最佳的解決方案，就必須解決復雜的仿真問題。研究人員已經開發(fā)出了一個“物理機制庫”，并將其作為設計所有物體的基礎，包括折疊、拉伸、扭轉、收縮等形變機制。物體的形變依賴于基礎模塊的協(xié)同工作。我們能以線性模式設計物體，例如折疊或拉伸；或者根據邏輯順序對它們進行編程——遇到特定情況，就執(zhí)行相應的動作。
很快，這些組合就會變得極其復雜，以至于預測它們的行為將非常困難。所以，要將可編程物品變?yōu)楝F(xiàn)實，第一步就是要開發(fā)出全新的設計軟件。設計人員需要使用計算機來模擬4D打印出的物體如何變形，并將他們的設計轉化為打印機能夠理解的指令。他們還需要相應的軟件，來避免那些難以預見的問題，例如避免物體在變形時自已纏繞在一起。作為邁向這個目標的第一步，蒂比茨的研究小組同歐特克公司（Autodesk，美國著名設計軟件企業(yè)）合作，開發(fā)出了“賽博格”（Project Cyborg）軟件，能夠模擬和優(yōu)化4D打印物品的動力學性能。利用賽博格軟件進行設計，并結合Stratasys公司制造的可使用多種材料的3D打印機，以及同樣由該公司研發(fā)的一種浸入水中后尺寸能延展150%的聚合物，蒂比茨的研究小組制造出了可以自動折疊的MIT標志，以及其他的一些4D打印的物品。
到目前為止，研究人員設計出的物品大多相當簡單，所使用的接合點和材料都只有一兩種而已。不過，用于制造更復雜設備的材料已經具備，而且隨著材料種類的不斷擴展，能限制我們的就只剩下我們的計算能力和想象力了，當然還有物理學定律。
軍事上的應用
在可編程物體研究中，有一個常用的概念——“體素”（voxel），即“體積元素”的簡稱。在計算過程中，體素就相當于三維空間中的像素。在可編程物體中，體素是構建復雜設備的最基本單位。體素通常是由硅、陶瓷、塑料或鈦等材料制成的不同大小的合成顆粒。根據需要，它們可以被打造成用途廣泛的子系統(tǒng)，如儲能器件、致動器、傳感器、導體、絕緣體、保護外殼、天線、甚至微型計算機。體素被組裝到一起后，可以作為整體進行編程，改變形狀或功能，或者變成完全不同的物品。
在最近出版的新書 《制造：3D打印的新世界》（Fabricated:The New Word of 3D Pringting）中，霍德·利普森 （Hod Lipson）和梅爾巴·庫曼（Melba Kuman）利用體素的概念，將可編程物體同生命體進行了類比。畢竟，生命體中的許多蛋白質也只是由22個基礎模塊——氨基酸構成的?！叭绻麉^(qū)區(qū)20多種基礎模塊就能作為所有生命的基礎，那么少量基本體素類型，也同樣可以帶來大量的可能性，”利普森和庫曼在書中寫道?？捎玫幕A模塊包括硬體素和軟體素，比如布線用的導電體素，以及由電阻、電容、電感和晶體管體素組成的電路，“再加上致動器和傳感器體素，”他們寫道，“一部機器人就完成了?！?/p>
美國軍方對這種機器人很感興趣。美國陸軍和海軍已經開始了相關研究，希望能在戰(zhàn)場或軍艦上使用3D打印技術制造零件，以免除成千上萬個零部件因運輸和儲存帶來的巨大消耗，節(jié)約大量的時間、空間和費用。可編程物體的優(yōu)勢還不止這些，想象一下，在潛艇上備上一箱體素，會有多么方便：如果潛艇的某個零部件損壞了，或者需要某種特殊工具，只需要使用相應的體素，并對其進行編程，把它們制成所需的零部件或工具就可以了。工具用完后，還可以讓它重新分解回體素，以備后用。
除零部件和工具外，可編程物體可以用于制造能根據外界環(huán)境及人體體征來調節(jié)溫度的新型作戰(zhàn)服。2014年，美國陸軍投入了近100萬美元，資助一項使用4D打印制造動態(tài)偽裝的研究。將目光放得更遠一些，再加上一些想象力，就可以預見，能通過形變來繞過或通過障礙物的機器人終將成為現(xiàn)實，正如電影《終結者2》里的T-1000型機器人一樣。
此外，不管是軍用還是民用，可編程物體還可以在大型建筑領域一顯身手。想象一下可能出現(xiàn)的自組裝建筑——不再需要磚頭或澆灌混凝土，只需要相當于建筑體積的程控物質一股腦倒入地基，然后命令它們“生長”或“穩(wěn)定”成最終的結構，同時其中的水電線路也一應俱全。雖然對于普通的民居來說，似乎不必弄得如此復雜，但若在交戰(zhàn)區(qū)域或火星表面之類的惡劣環(huán)境下，這樣的自組裝房屋就變得非常有吸引力了。
面向未來
在這里列舉的僅是可編程物質的幾種典型應用，研究人員可采取的方案遠不止于此。除此之外，還有能根據氣壓或溫度變化自動調整形狀的飛機機翼；能隨路面和天氣狀況改變抓地面積的輪胎；自修補材料不僅可以保護飛機，也可以讓橋梁在交通流量突增或地震等突發(fā)情況下確保安全；當然，還有自組裝家具，幾乎人人都希望能在宜家（lkea）買到這樣的東西——看起來只是一塊平板，卻能根據命令自動折疊出不同的家具。
這些概念聽起來似乎很玄，但它們的確基于真實的工程學和科學研究。不過，面臨的困難也依然艱巨。除了計算帶來的挑戰(zhàn)之外，可編程物體也超越了當今材料科學和制造業(yè)的極限。為了制造那些自折疊的 “MIT”以及具有光敏特性的“Virginia Tech”標志，科學家采用的是全新的聚合物。那么要想建造自組裝房屋，或者可變形飛機機翼，又需要使用哪些新材料呢？即使成功地開發(fā)出了基礎模塊，我們仍會面對如何將它們組裝成大尺度復雜物品的挑戰(zhàn)。此外，還有諸多問題等待我們去解決，比如如何將體素揉合在一起？應該怎樣對它們編程？它們又利用什么形式的能量來進行自組裝呢？
即便上述這些都能得到完美解決，我們仍將面臨先前提到過的那些挑戰(zhàn)，包括被黑客劫持的風險和棘手的知識產權問題。不過，我們應該很快就有機會解決這些難題。在過去的一年半里，蒂比茨已經與數(shù)家公司展開了合作，研發(fā)變形材料、產品和構造體系。坎貝爾和威廉姆斯也在和一家公司商談，目標是將4D打印和納米材料用于防偽系統(tǒng)?？雌饋?，自組裝房屋離我們或許并沒有想象中的那么遠。
（摘自《環(huán)球科學》2014年2月號總第108期）
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現(xiàn)在，科學家已經著手開發(fā)自組裝設備了，只不過它們還非常微小——僅有納米級，可以用作生化傳感器、電子設備，或是給藥載體。我們感興趣的是，當可編程物體的大小達到人體尺度時，又會是怎樣一番情形呢？要實現(xiàn)這一目標，主要有兩種方法：一是制造出獨立的、能自動結合或分離的基礎構建模塊，用來組成更大的可編程結構；而另一個方向是，建造具有單一完整結構的變形物體，即在物體的恰當位置嵌入鉸鏈、應力點或電子設備，讓它們在需要的情況下改變形狀。我們稱第二種方法為4D打印。同3D打印一樣，4D打印也是通過逐層下料來構建物體。區(qū)別是，通過4D打印，可以制造出能在一定條件下改變外形或性質的物體。
使用可編程物體，可以節(jié)省原料、能源和勞動力——想象一下，椅子能夠自己變成桌子，還有那些柔軟的、能自我修復的輸水管道。這樣，就可以在不需要人工參與的情況下，建造出結構復雜的機器。在外層空間等惡劣環(huán)境中，這類系統(tǒng)尤其具有價值。例如，可以將一個小型壓縮包發(fā)射到太空中，進入預定軌道后，就能自動變形為一顆具有特定功能的人造衛(wèi)星。其他用于外層空間的設備也可以設計成多種用途，比方說太陽能面板陣列，在需要時能夠變形成為拋物面天線或儲物艙。
不過，可變形物體同樣會帶來前所未有的風險。想象一下一個能被黑客劫持的世界：黑客們可以蓄意破壞變體飛機的機翼；也能夠命令建筑在內部還有人的情況下自動拆解。此外，因為產品可以從一種形態(tài)變成另一種，知識產權的相關問題也會變得更加錯綜復雜，由此引發(fā)的專利問題可能是管理部門想都沒想過的。這些風險的存在，使得我們必須仔細評估這種革命性技術，以便從一開始就建立相應的解決方案、控制措施以及管理政策。
微型機器人
從上世紀90年代初開始，雖然人數(shù)不多，但已經有一些富于想象力的科學家在討論可編程物體了。不過直到2007年，該領域的研究才獲得了快速的發(fā)展。當時，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助了一項 “可編程物體”的研究。DARPA提出的是一項歷時數(shù)年的研發(fā)計劃，目標是設計和建造微尺度級別的機器人，能夠組合或變形為更大型的軍用系統(tǒng)，如實體展示器或專用天線。研究人員將機器人縮小到毫米級尺度，差不多相當于一根鉛筆的粗細。在幾年的時間內，他們已經成功地展示了體積微小的變形機器人。
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例如，想打印出一種能從桌子變成椅子的物品。雖然從拓撲學上來說，桌子變成椅子有很多種途徑，然而在現(xiàn)實中，其中大多途徑都無法實現(xiàn)。因為在變形過程中，物品往往會被自身結構阻擋，甚至纏繞在一起。要尋找最佳的解決方案，就必須解決復雜的仿真問題。研究人員已經開發(fā)出了一個“物理機制庫”，并將其作為設計所有物體的基礎，包括折疊、拉伸、扭轉、收縮等形變機制。物體的形變依賴于基礎模塊的協(xié)同工作。我們能以線性模式設計物體，例如折疊或拉伸；或者根據邏輯順序對它們進行編程——遇到特定情況，就執(zhí)行相應的動作。
很快，這些組合就會變得極其復雜，以至于預測它們的行為將非常困難。所以，要將可編程物品變?yōu)楝F(xiàn)實，第一步就是要開發(fā)出全新的設計軟件。設計人員需要使用計算機來模擬4D打印出的物體如何變形，并將他們的設計轉化為打印機能夠理解的指令。他們還需要相應的軟件，來避免那些難以預見的問題，例如避免物體在變形時自已纏繞在一起。作為邁向這個目標的第一步，蒂比茨的研究小組同歐特克公司（Autodesk，美國著名設計軟件企業(yè)）合作，開發(fā)出了“賽博格”（Project Cyborg）軟件，能夠模擬和優(yōu)化4D打印物品的動力學性能。利用賽博格軟件進行設計，并結合Stratasys公司制造的可使用多種材料的3D打印機，以及同樣由該公司研發(fā)的一種浸入水中后尺寸能延展150%的聚合物，蒂比茨的研究小組制造出了可以自動折疊的MIT標志，以及其他的一些4D打印的物品。
到目前為止，研究人員設計出的物品大多相當簡單，所使用的接合點和材料都只有一兩種而已。不過，用于制造更復雜設備的材料已經具備，而且隨著材料種類的不斷擴展，能限制我們的就只剩下我們的計算能力和想象力了，當然還有物理學定律。
軍事上的應用
在可編程物體研究中，有一個常用的概念——“體素”（voxel），即“體積元素”的簡稱。在計算過程中，體素就相當于三維空間中的像素。在可編程物體中，體素是構建復雜設備的最基本單位。體素通常是由硅、陶瓷、塑料或鈦等材料制成的不同大小的合成顆粒。根據需要，它們可以被打造成用途廣泛的子系統(tǒng)，如儲能器件、致動器、傳感器、導體、絕緣體、保護外殼、天線、甚至微型計算機。體素被組裝到一起后，可以作為整體進行編程，改變形狀或功能，或者變成完全不同的物品。
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除零部件和工具外，可編程物體可以用于制造能根據外界環(huán)境及人體體征來調節(jié)溫度的新型作戰(zhàn)服。2014年，美國陸軍投入了近100萬美元，資助一項使用4D打印制造動態(tài)偽裝的研究。將目光放得更遠一些，再加上一些想象力，就可以預見，能通過形變來繞過或通過障礙物的機器人終將成為現(xiàn)實，正如電影《終結者2》里的T-1000型機器人一樣。
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面向未來
在這里列舉的僅是可編程物質的幾種典型應用，研究人員可采取的方案遠不止于此。除此之外，還有能根據氣壓或溫度變化自動調整形狀的飛機機翼；能隨路面和天氣狀況改變抓地面積的輪胎；自修補材料不僅可以保護飛機，也可以讓橋梁在交通流量突增或地震等突發(fā)情況下確保安全；當然，還有自組裝家具，幾乎人人都希望能在宜家（lkea）買到這樣的東西——看起來只是一塊平板，卻能根據命令自動折疊出不同的家具。
這些概念聽起來似乎很玄，但它們的確基于真實的工程學和科學研究。不過，面臨的困難也依然艱巨。除了計算帶來的挑戰(zhàn)之外，可編程物體也超越了當今材料科學和制造業(yè)的極限。為了制造那些自折疊的 “MIT”以及具有光敏特性的“Virginia Tech”標志，科學家采用的是全新的聚合物。那么要想建造自組裝房屋，或者可變形飛機機翼，又需要使用哪些新材料呢？即使成功地開發(fā)出了基礎模塊，我們仍會面對如何將它們組裝成大尺度復雜物品的挑戰(zhàn)。此外，還有諸多問題等待我們去解決，比如如何將體素揉合在一起？應該怎樣對它們編程？它們又利用什么形式的能量來進行自組裝呢？
即便上述這些都能得到完美解決，我們仍將面臨先前提到過的那些挑戰(zhàn)，包括被黑客劫持的風險和棘手的知識產權問題。不過，我們應該很快就有機會解決這些難題。在過去的一年半里，蒂比茨已經與數(shù)家公司展開了合作，研發(fā)變形材料、產品和構造體系。坎貝爾和威廉姆斯也在和一家公司商談，目標是將4D打印和納米材料用于防偽系統(tǒng)?？雌饋?，自組裝房屋離我們或許并沒有想象中的那么遠。
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