制造變形物的4D打印技術(shù)

周末，小先鋒們相邀去書店為自己買些新書。

一進(jìn)門，小靈通就被門口雜志架上的一本雜志封面給吸引住了，他指著雜志上的圖片對(duì)小伙伴說(shuō)：“你們快看這個(gè)圖片。”

“小靈通，你是要我們欣賞圖片中模特的舞姿嗎？”小粗心有些不解地問(wèn)。

小靈通向他們解釋道：“不是，你們看上面的標(biāo)題——首件4D打印連衣裙問(wèn)世。這條裙子是打印出來(lái)的！”

小好問(wèn)說(shuō)：“4D？跟3D打印有什么不同??？”

“我也不清楚，雜志里也沒(méi)說(shuō)，咱們還是去找關(guān)主吧，他肯定知道?！毙§`通提議說(shuō)。

于是小先鋒們改變了原來(lái)的計(jì)劃，朝關(guān)主家走去。

四維設(shè)計(jì)

一看到奧秘精靈，小靈通就把此前在雜志上看到的新聞告訴了他。

弄懂了小先鋒們的來(lái)意后，奧秘精靈說(shuō)：“原來(lái)你們也看到了那則新聞。我最近正關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)，既然你們有興趣，那咱們就好好探究一番吧?！?/p>

小好問(wèn)著急地問(wèn)：“奧秘精靈，這4D到底比3D多了哪個(gè)D?。俊?/p>

“小好問(wèn)，你別急。在回答你的問(wèn)題之前，你們先告訴我3D包括哪三個(gè)維度，看看之前學(xué)的知識(shí)你們還記不記得?！?/p>

小粗心搶先說(shuō)：“長(zhǎng)、寬、高唄！”

小靈通：“我有復(fù)習(xí)。3D就是空間的概念也就是由X、Y、Z三個(gè)軸組成的空間，是相對(duì)于只有長(zhǎng)和寬的平面而言?！?/p>

小好問(wèn)：“換句話說(shuō)，3D就是立體的?！?/p>

【關(guān)主釋答】

很好，看來(lái)大家都有鞏固前面所學(xué)的知識(shí)。3D是指三個(gè)維度、三個(gè)坐標(biāo)，物理上的三維一般指長(zhǎng)、寬、高，就是小靈通所說(shuō)的由X、Y、Z三個(gè)軸組成的空間。而你們今天想知道的4D呢，則是在此基礎(chǔ)上再加入了一個(gè)維度，即愛(ài)因斯坦提出的時(shí)間維度。

其實(shí)4D這個(gè)詞不是最近才有的，現(xiàn)在不是就有4D電影嗎？它是在原有3D立體顯示基礎(chǔ)上由單一空間上的立體顯示進(jìn)行升級(jí)，使觀眾在觀看電影時(shí)能夠獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等全方位感受。而所謂4D打印，就是在3D打印的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間緯度，其本質(zhì)就是利用復(fù)合材料進(jìn)行3D打印，并使打印出來(lái)的物體增加一項(xiàng)功能，那就是變形。正如你們?cè)陔s志上所看到的那條連衣裙，就是運(yùn)用“智能材料”以緊密方式打印并自動(dòng)展開(kāi)的裙子?？蒲腥藛T通過(guò)掃描模特的身形，讓裙子的樣式能完美貼合模特的身形，并伴有一系列鑲嵌元素。它通過(guò)3 316個(gè)連接點(diǎn)把2 279個(gè)打印塊連在一起，感覺(jué)像是為模特量身定制的一樣。

智能材料

小粗心開(kāi)玩笑說(shuō)：“哇，原來(lái)4D打印的東西會(huì)變形啊，那要是用來(lái)打印機(jī)器人不就成了名副其實(shí)的變形金剛了?！?/p>

“哈哈，沒(méi)錯(cuò)?？蒲腥藛T最初在展示這一技術(shù)時(shí)，將一種新穎的材料組合用于3D打印機(jī)，制造出了一種線狀物體，該物體被放入水中時(shí)，會(huì)改變形狀組成字母‘MIT。為什么打印出來(lái)的線狀物體碰到水就變形了，你們能猜透其中的奧秘嗎？”

小粗心：“哈哈，這些科學(xué)家肯定是魔術(shù)師裝扮的。”

小好問(wèn)：“是不是水的溫度比室溫高，所以打印出來(lái)的材料遇熱產(chǎn)生了形態(tài)變化？”

小靈通：“關(guān)鍵在于打印的原材料，我分析它有可能是兩種遇水后會(huì)發(fā)生不同變化的材料組合而成的?！?/p>

【關(guān)主釋答】

小粗心，你的想象力還挺豐富的。小好問(wèn)和小靈通的分析都有一定的合理性和可能性。4D打印材料其核心是記憶合金，它是一種能夠自動(dòng)變形的材料，人們通過(guò)軟件設(shè)定模型和時(shí)間，變形材料在設(shè)定時(shí)間內(nèi)變成所需的形狀。

4D打印技術(shù)牽涉到對(duì)特殊材料的應(yīng)用，這些材料在感知到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、溫度等發(fā)生改變，或是暴露于水、空氣、重力場(chǎng)、磁場(chǎng)時(shí)會(huì)改變自身的形狀，換句話說(shuō)，4D中的第四維便是指材料的這種“自組裝行為”。

總的來(lái)說(shuō)，4D打印技術(shù)有幾項(xiàng)非常關(guān)鍵的要素，一個(gè)是材料能夠具備“時(shí)間”的認(rèn)知；二是觸發(fā)自我組裝的“催化劑”，也就是介質(zhì)，當(dāng)然不一定只能是水，根據(jù)不同的打印材料，也有可能是光、熱、聲音、震動(dòng)、氣體，甚至是電子觸發(fā)。如果說(shuō)3D物體是靜態(tài)的，需要人工控制，那么4D物體就能自動(dòng)對(duì)環(huán)境作出反應(yīng)——自行組裝、修補(bǔ)或變形。該領(lǐng)域的進(jìn)步將更多地依賴材料本身，而非打印技術(shù)。

前景廣泛

小粗心滿懷期待地說(shuō)：“要是我家有一臺(tái)這樣的打印機(jī)就好了。想要什么家具直接打印，放在陽(yáng)臺(tái)給它洗個(gè)澡，過(guò)一會(huì)兒，一個(gè)書桌或者一把椅子就自動(dòng)組裝好并呈現(xiàn)在眼前，完全不需要自己動(dòng)手組裝?！?/p>

小好問(wèn)接著小粗心的話說(shuō)：“還可以設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)濕度、溫度改變的衣服，做到冬暖夏涼?！?/p>

“沒(méi)錯(cuò)，4D打印技術(shù)能衍生出許多實(shí)際的應(yīng)用。目前，科學(xué)家正在研究如何利用該技術(shù)打印出植入人體內(nèi)的生物相容性器官，例如心臟支架——一種置于心臟內(nèi)部幫助恢復(fù)的管狀醫(yī)療器械。不過(guò)要真正讓4D打印走進(jìn)我們的生活，還需要一段時(shí)間，而且還有一些問(wèn)題需要深入研究。你們認(rèn)為還有哪些問(wèn)題正困擾著科研人員呢？”

小靈通：“材料！目前會(huì)變形的材料種類還太少，我們還需要開(kāi)發(fā)更多類型的打印材料，不僅是遇水產(chǎn)生變形，還可以在其他環(huán)境中變化形態(tài)?！?/p>

小粗心：“我之前看新聞?wù)f有人利用3D打印技術(shù)制造手槍，4D技術(shù)真正普及后，如果被壞人利用后果不堪設(shè)想?！?/p>

小好問(wèn)：“我也認(rèn)為打印材料有待進(jìn)一步研究，不過(guò)我考慮的是材料的使用壽命。特別是放置在人體內(nèi)的物體，如果其材料的使用壽命太短反而會(huì)對(duì)人造成傷害?！?/p>

【關(guān)主釋答】

是的，你們一針見(jiàn)血地提出了諸多令科研人員頭痛的問(wèn)題。就如小靈通和小好問(wèn)所想的那樣，4D打印原料仍需要投入大量研究。目前，科研人員開(kāi)發(fā)的4D打印物體雖然可以經(jīng)受干濕交替，循環(huán)使用數(shù)次，但材料在折疊與展開(kāi)數(shù)十次之后，就會(huì)失去變形的能力。并且他們還想進(jìn)一步開(kāi)發(fā)能夠?qū)Τ酝獾钠渌蛩刈鞒龇磻?yīng)的材料。

此外，小粗心的擔(dān)憂也不無(wú)道理，這項(xiàng)技術(shù)也有被犯罪分子利用的可能性。

總體來(lái)說(shuō)，4D技術(shù)發(fā)展前景廣泛，而且也已經(jīng)在軍事、醫(yī)療領(lǐng)域有所貢獻(xiàn)。例如，國(guó)外的軍事專家提出可以借助4D打印技術(shù)制造開(kāi)發(fā)出輕薄小巧的防彈衣，伸展時(shí)能提供全面防護(hù)，也便于儲(chǔ)存和攜帶；或是促進(jìn)大型裝備構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)制造利用，借助4D打印技術(shù)預(yù)先設(shè)計(jì)大型結(jié)構(gòu)的折疊狀態(tài)，以及展開(kāi)所需的關(guān)鍵部位和敏感材料，然后利用3D打印機(jī)打印出半成品，通過(guò)特殊的物理場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)成品的自動(dòng)展開(kāi)；還有研究人員計(jì)劃借助4D打印的原理，利用DNA鏈造出了對(duì)抗癌癥的納米機(jī)器人等。未來(lái)，4D打印技術(shù)將給我們的生活帶來(lái)翻天覆地的變化。