4D打印：自我组装之梦

 

 

 斯凯勒·蒂比茨在TED会议上公布了团队所研发的4D打印技术。

 复合材料在水中完成自我折叠。 图片来源：百度图片 ■本报记者 胡珉琦 说到3D打印，它绝对是近年来最受瞩目的材料科技之一，手枪、内脏，甚至是“美女”都成为了打印的对象。可如果你认为这就是打印的终点，实在为时尚早。因为，4D打印已经悄然出现了，而它的现身也立刻成为全球瞩目的焦点，甚至连相关的高科技股也出现了暴涨。4D打印的魅力究竟何在？ 可编程的材料自主改变 4D打印的创造者是美国麻省理工学院建筑系的一位教员——斯凯勒·蒂比茨，他也是该校自我组装实验室的创始人。 4D打印比3D打印多了一个“D”，而它代表的正是时间。 众所周知，3D打印要预先建模、扫描，然后用相应的材料按照之前的计划复制出来。4D打印则是直接将程序输入材料当中，物体被打印出来后，可以自主变形、重塑，而且不需要任何复杂的机电设备。也就是说，打印不再是创造过程的终结。蒂比茨自己认为，它就像是没有了电线和发动机的机器人。 今年2月，蒂比茨在加利福尼亚长滩岛举行的TED会议上公布了团队所研发的4D打印技术。 在一个演示视频中，一条由复合材料制成的单链浸在水里，之后他完成了自我折叠，成为了字母MIT。此后，另一条单链被浸到更大的水池，而它自我折叠成了一个具有三维结构的立方体。这个过程完全没有人的干涉，而是设计人员先前已经把程序和变化要求直接嵌入了材料本身。 在这个过程中，蒂比茨使用了工程软件开发商欧特克（Autodesk）开发的一款名为Cyborg的编程软件，这个软件可以模拟材料自我组装的动作。 另外，物体被打印出来，必须跟某种介质接触，才能产生预设反应。在蒂比茨的实验中，水正是材料形变的介质。 灵感来自自然系统的自我组装 蒂比茨这种自我组装的想法究竟从何而来？ 他在TED会议上还展示了一个此前的研究成果。在一个玻璃瓶中装有脊髓灰质炎病毒，当研究人员使劲摇动瓶子时，它们碎成了很多部分。然而，当研究人员继续随意摇动之后，这些病毒开始自行“纠错”，重新构建原有的结构。蒂比茨说：“这表明，通过随机的力量，我们能构建有序的形状。” 自然系统中分子的自我组装让蒂比茨无比兴奋。他联想到，当今的建筑及制造业中，往往存在效率低下、能量消耗大、劳动技术需求大的问题。 他举了一个基础设施建设方面的例子。城市在铺设地下管道时，除了昂贵的泵和阀门，还使用有着固定流量、固定容积的水管。工人们把它们埋在地里，可一旦情况有变，比如地形、地下环境变化，或是城市对于管道本身的要求变了，工人们就不得不从头开始，把水管从地里挖出来，再进行调整或者更换。 所以，他想到寻找一种可被编程的材料，与建筑环境结合。它们既不是自动化机械，也不只意味着可代替人类的智能机器，而是通过编程来构建自身，在这个过程中，排列无序的零件相互作用，建立一个有序的结构。 在这个过程中，第一要素就是材料与几何学知识，同时，也需要与能量来源紧密结合。在蒂比茨看来，可以利用固有的能源，比如高温、震动、气流、重力、磁力等，让它们互相作用，并且利用纠错系统，完成自我重组、修复等。 记忆合金是4D打印关键？ 而随着4D打印传入中国，金属材料领域的人士曾指出，4D打印最关键的是记忆合金。 中科院化学研究所研究员、新材料实验室主任宋延林告诉《中国科学报》记者，所谓形状记忆合金，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。 曾经在一次新材料的研讨会上，一位教授手持一个盛有水的玻璃瓶，上面插有一只漂亮的用纸做的蝴蝶，他走上讲台一言未发，从容地掏出打火机把瓶子加热，不一会儿，只见蝴蝶的翅膀飞舞起来。原来，在蝴蝶下面有一根所谓“形状记忆”合金丝，这根丝随着水温的升高和降低会突然伸长或缩短。 而事实上，形状记忆合金早已应用于工业中。比如，用形状记忆合金制作月面天线。月面天线伸展开来很宽大，火箭无法容纳，而有了形状记忆合金，则可以不费吹灰之力解决这一问题。研究人员用Ni-Ti合金丝在马氏体相变温度以上先做成月面天线，然后在低于该温度时把月面天线压成小团装入运载火箭，当发射至月球表面后，通过太阳能加热而恢复原形。 再比如，形状记忆合金还可用于医学。作为牙科的齿形矫正器，在马氏体相变温度以上把形状记忆合金丝做成正常的形状，然后在低于该温度下变形并套在不正常的畸形牙上，当温度上升至口腔温度后，矫正器自动变成正常形状，把畸形牙齿矫正。 宋延林指出，形状记忆合金是在特定外部条件下回归原来的形状，此前，物体已经被设定完成。 而蒂比茨所使用的复合材料是经过编程模拟，而后按照预先设定好的时间变形。也就是说，物体是自动制造的，而不是先设定好物体，再通过恢复形状而制造的。 因此，有业内人士质疑，国内理解的4D打印所涉及的材料概念存在偏差，形状记忆合金是A股市场对于该概念的主要炒作点。 4D打印尚难大规模应用 在接受媒体采访时，蒂比茨表示，在后续研究中，他想强调的是材料如何“在想法中发生变化”的模式。他认为，在一些建造困难、现行的施工方法不起作用的极端环境中就可以应用到这项技术。比如太大、太危险、造价太高、太多零件的环境，太空环境就是一个例子。 团队将就宇宙环境下压力、温度的变化，材料如何进行“结构变形”、“自行装配”等设想进行深入研究，并将探讨空间站建造中的一些应用课题。 再比如，回到基础设施建设中，蒂比茨团队正在开发一种新模式的管道系统。想象一下，如果水管可以随意伸缩或膨胀，来改变容量或流速，那里将不再需要昂贵的泵或阀门，而是可编程的可自我调节的管道。 蒂比茨的目标是要改变世界装配工程的残酷事实，把复杂的零件用复杂的方式，形成复杂的物品。 华中科技大学材料科学与工程学院副院长、中国3D打印技术产业联盟第一副理事长史玉升在接受《中国科学报》记者采访时表示，4D打印技术仍停留在研发阶段，尚不具备大规模应用的可能，而它传入国内的更像是一个神秘的概念。 “在3D打印尚且受到技术和材料等因素的制约，还并未转化为真正的产业应用的当前，4D打印概念依然很飘渺。”史玉升说。