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4D打印自我组装之梦

发布时间:2021-01-05 10:30:43 阅读: 来源:浴盐厂家

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。

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