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      令人神往的4D打印

      2016-09-10 07:22:44
      課外語文·中 2016年10期
      關(guān)鍵詞:細絲薄片打印機

      現(xiàn)在3D打印已被人們廣為熟知,將會極大地改變?nèi)藗兊纳?。設(shè)想一下,當一臺打印機連接上你的家用電腦,它就能為你生產(chǎn)任何東西。沒有了牙刷?沒關(guān)系,打印一把;需要新鞋、新裙子?沒問題,讓打印機制造。你只需要告訴你的電腦所需物品的樣式和尺寸,電腦就會指揮打印機為你打印出來??墒牵绻銉H了解3D打印,那可就OUT了。

      從3D打印到4D打印

      3D打印的過程是“做加法”,即從底部到頂部,一層層地將材料“堆積”上去,最后形成產(chǎn)品,所以有人將3D打印稱為“添加式的制造業(yè)”。

      在3D打印開始前,人們必須創(chuàng)建一個電腦文件,它要描述被打印物品的三維形態(tài),包括大小、形狀、顏色等。然后,人們要操縱電腦將設(shè)計好的物品轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)化了的虛擬的“薄片”。接下來,打印機就開始工作,它一層層地堆積“薄片”,直到“堆”成你想要的產(chǎn)品。

      3D打印的材料五花八門,有金屬、塑料甚至巧克力、奶酪等食材。打印出的“產(chǎn)品”也多種多樣,電燈泡、收音機、遙控器、手機、食品、玩具,等等,人們還用3D打印復(fù)制骨頭、牙齒以滿足醫(yī)療需求?,F(xiàn)在,科學(xué)家們開始研究是否能用月球上的土壤打印一個月球基地,以及為未來的深空探險打印食物。

      然而,人們還有更多的想法。美國康奈爾大學(xué)的霍德·利普森在考慮“是否能打印一個機器人,然后讓它從打印機中走出來”。這聽起來像是一個笑話,卻是有根據(jù)的。根據(jù)就是4D打印,也就是說,這種打印是四維的,它突破了打印科技現(xiàn)有的局限。

      用3D打印制造出來的產(chǎn)品是不能動的,假若沒有人為干預(yù),它們就做不了任何事,而且不論把它們搬到何處,它們都還是原來的那個樣子。然而4D打印就不一樣了,其產(chǎn)品能回應(yīng)環(huán)境刺激,適應(yīng)環(huán)境變化,改變形狀、大小和顏色。

      盡管這種科技還處在起步階段,但人們已經(jīng)能夠感受到它廣闊的應(yīng)用未來了。例如,士兵們有可能穿上隨環(huán)境變換顏色的偽裝服,宇航員可以建造能變換形狀的太空站,等等。至于像利普森這樣的科學(xué)家,他們甚至想到利用4D打印改變現(xiàn)有的機器人制造業(yè),那就是讓4D打印機打印出機器人,然后讓機器人生產(chǎn)能打印機器人的4D打印機……

      A.

      要讓這些想法變成現(xiàn)實,科學(xué)家們必須首先找到“智能”材料,即可以“編程”的材料,但它們并不是計算機,只是具有某種奇特的性質(zhì)而已。例如,能按照人的意愿發(fā)生彎曲,能感受壓力,能感受溫度,將它們放在磁場中能從液體變成固體等,這些能力使它們看上去就像是被“編程”了一樣。

      2014年,美國麻省理工學(xué)院的斯凱拉·蒂比斯向公眾演示了4D打印的原理,從而使人們看到了4D打印的未來。一段細絲被放進一個水槽中,它開始扭曲變形,先是一端翹起并且扭動,就像擁有某種機械裝置一樣,接著中段也出現(xiàn)彎曲并且拱起。細絲的變化過程一直顯示在屏幕上,最后它變化成了3個清晰的字母:MIT(麻省理工學(xué)院的英文縮寫)。細絲變化出了什么形狀并不重要,重要的是它是如何變的,為什么能夠這樣做。原來,細絲的變形能力來自于材料內(nèi)部的某種“程序”,它在控制細絲的行為。

      研究人員正在尋找新的材料去打印能夠做出更復(fù)雜變化的物體,他們使用的材料多種多樣,包括木材、炭、顏料和金屬等。與此同時,他們也力圖使這些材料獲得另外一種優(yōu)勢,那就是減少廢棄物。科學(xué)家們認為,既然材料能通過“程序”使它們按某種路徑發(fā)揮功能,那么使用同樣的方法也能讓它們以某種方式停止工作。它們可以自我還原,自然修復(fù)以適應(yīng)新的用途。即便它們沒有用了,也能自我降解以進入自然的循環(huán),還能還原成最基本的成分以用于構(gòu)建新的產(chǎn)品。

      B.

      相比于3D,4D多出的一維來自時間。時間是繼長、寬和高之后的第四維。物體隨時間變化,可移動、變形或者改變屬性。同樣,4D打印的產(chǎn)品也可被設(shè)計成能隨時間而變化。例如一扇窗簾,它能改變形態(tài)使更多或者更少的陽光照進屋子。假若人們設(shè)計出一扇百葉窗,它能根據(jù)溫度的變化調(diào)節(jié)角度甚至開啟和關(guān)閉,那它就有了某種“智能”?,F(xiàn)在的百葉窗都需要人們手工調(diào)節(jié),如啟動杠桿和小電動機。假若使用4D打印,就有望讓材料自己控制這一切,這時百葉窗不需要外力,“智能”材料可以自己改變形狀,滿足人們的需求。

      前景看好,困難不少

      在新加坡科技設(shè)計大學(xué),材料科學(xué)家們正在研制一種有形狀記憶能力的塑料,這種材料能從一種形狀轉(zhuǎn)變成另一種形狀。例如,當它們遇到熱、潮濕或者被某種光線照亮?xí)r,它們就會在形狀上發(fā)生變化。

      在實驗室里,科學(xué)家們先將這種塑料打印成薄片,而這些薄片則能自己變化出各種形狀來,這個過程被研究人員形容為“自主性的折紙工藝”。現(xiàn)在,這些塑料薄片已能自己折疊成盒子、金字塔和小飛機。它們還能先變成一個盒子,然后將自己展開成薄片,最后又還原成盒子。

      總的來說,4D打印還處于實驗性的概念階段,雖然未來前景令人神往,但它的發(fā)展還存在著一些障礙。首先,傳統(tǒng)的制造業(yè)并不能適應(yīng)3D和4D打印,這就是為什么科學(xué)家們要設(shè)法開發(fā)新材料,研制合成材料的緣故。第二個障礙是尺寸,多數(shù)3D打印的產(chǎn)品都不小于幾厘米,但在醫(yī)療應(yīng)用的領(lǐng)域,這個尺寸就太大了,假若要使3D和4D打印適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)科技的發(fā)展,這個尺寸應(yīng)該小于幾微米才行。

      不過這些障礙是可以克服的,隨著材料科學(xué)和打印科技的進一步發(fā)展,無論是3D還是4D打印都將一步步地走向成熟。

      (選自《百科知識》2016年第3期,有刪改)

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