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4D打印即将来临!自变形材料可自动组装

来源:科技日报   2013-10-23 17:07:58   点击:

导读: 3D打印方兴未艾,4D打印已呼之欲出。4D打印比3D打印多的一个“D”表现在时间纬度上,这种革命性新技术可以通过软件设定模型和时间,变形材料会在设定时间内快速成型。

现在,想像一下,从家具店买回一把椅子的家具板材,将其放在房间里它们会自动组装;汽车的涂料可以改变自身的结构,适应潮湿的环境或撒过盐的道路,以便更好地保护汽车免受腐蚀;士兵的制服能改变迷彩或更有效地防止与毒气或弹片的接触。

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有人要问了:有那么神奇吗,不需要连接任何复杂的打印机,就能按照产品设计自动折叠成相应的形状?而科学家告诉我们,这就是悄然而至的4D打印技术。那么,它与3D打印有何不同,又是如何做到神通广大的呢?

究竟比3D打印“炫”在哪儿

3D打印方兴未艾,4D打印已呼之欲出。

今年3月,在洛杉矶举行的“技术、娱乐、设计”(TED)大会上,麻省理工学院的研究人员首次展示了新一代打印技术——4D打印,顿时“点亮”了众人的目光。

谈到4D打印过程,建筑师和电脑科学家斯凯勒·蒂比茨解释说:“我们提出将4D物体的第四维度定为时间,也就是说使得3D打印出的物体能够随着时间自动变化和调适。刚性材料形成一个架构,其他层则是弯曲和扭转该架构的力量来源。”

3D打印技术,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其仍然符合一般传统意义上的造物过程,先模拟后制造,或者一边建物一边调整模拟效果。而通过硬件和软件的紧密结合,4D打印技术颠覆了这种方式。

从事4D打印技术研究的工程软件开发商欧特克(Autodesk)公司首席研究科学家卡罗·奥古恩说:“4D打印让快速建模有了根本性的转变。与3D打印的预先建模、扫描,然后使用物料成形不同,4D打印直接将设计内置到物料当中,简化了从设计理念到实物的造物过程。让物体如机器般自动创造,无需连接任何复杂的机电设备。”

如此可见,4D打印比3D打印多的一个“D”表现在时间纬度上,这种革命性新技术可以通过软件设定模型和时间,变形材料会在设定时间内快速成型。

可自变形材料是实现关键

显然,4D打印更为智能,物料可自行“创造”,简化了打印过程,但这对打印材料提出了更高要求,也是其得以实现的关键。

据物理学家组织网报道,美国哈佛大学工程与应用科学学院、斯旺森工程学院大学、伊利诺伊大学的研究人员正在运用其在纳米和微观层面操纵材料的专业知识,通过3D打印生产可以在宏观层面随着时间推移修改其结构的材料。

该团队课题组长、斯旺森工程学院大学化学工程教授安娜·C·巴拉兹解释道:“我们建议根据外界的刺激,按需求开发可重新调整其形状、性能或功能的自适应、仿生复合材料,而不是构建一个静态或简单地改变其形状的材料。期望通过整合可打印出精确的、3D立体感及具有分层结构的材料,并且合成刺激响应组件及预测系统时序行为的能力,建立4D打印新领域的基础。”

哈佛大学工程与应用科学学院生物启发工程的教授詹妮弗·A·刘易斯补充说:“目前的3D打印技术允许研究人员能够在纳米和微观层建立复杂的功能,这种可改变其性能或多次塑造的能力,不只是建立在某个特定的、一次性使用的范畴内。复合材料可以在不同刺激下被重新配置,显著延长3D打印的覆盖范围。”

伊利诺伊大学合成材料科学与工程学院教授拉尔夫·G·纽素说,由于该研究将在一个刺激性敏感的水凝胶里使用嵌入式的响应填料,为生产下一代智能传感器、涂料、纺织及结构件开辟了新途径。这种能力可以创建一种织物,通过改变其颜色响应光线;变化透气性对温度作出反应,甚至硬化其结构来延展外力,将创建自适应的、灵活的、轻盈且坚固的响应材料变为可能。正是这种复杂的功能决定了真正4D打印的游戏规则。

4D打印技术的潜在应用

在TED大会上展示的4D产品,是经3D打印出的管子。将它放入水中,其会自动组装成一个立方体。原理是,该物体内部的“智能”材料利用水作为能量来源,带来形状的改变。在构造上,这款可以自动组装的4D物体由数层塑料制成,外加一层能够在吸水时自动变成一种理想形状的“智能”材料。

谈到4D打印的潜在应用,蒂比斯透露,麻省理工学院自组装实验室正在与波士顿一家名为Geosyntec的公司开展合作,开发创新的基础设施管路制造方案。他说:“这种新型地下水管,可以自由地膨胀或收缩,以此来控制过水的流量和流速,或者还可以像蛇那样通过自身的蠕动来挤压,推动内部的水体流动。水管能够适应不同的容量或水流而自动进行扩张,免去挖掘的麻烦。而具有这种不可思议功能的管路并不昂贵,也不需要那些复杂的阀门控制系统,这就是该管路本身所具备的性质。”

研究人员指出,该技术的下一个发展阶段包括打印4D片材,如果可行的话,还会包括完整的建筑结构,可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业。

4D打印目前并不成熟,但研究人员相信,4D打印不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物,而且这项技术终将带来生物科学、材料科学、机器人、交通运输、艺术甚至太空探索领域的命性变化,未来它的发展前景将十分广阔。对此,我们拭目以待。

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