揭秘4D打印:自动组装 灵感来自生物自我复制

2013-05-06 10:54:11  来源:北京晨报

  随着科技的发展,3D打印让人们可以轻松完成对于想象中物体的制作。比如说,你可以利用3D打印机“打”出一个飞机模型。但你听说过4D打印吗?和3D相比,这种更高级的技术除了有“长宽高”这些立体的三维结构,还增加了一个所谓的“时间线”。一旦它进入现实生活,很多科幻电影里才有的场面就会出现在你的面前。

  如果椅子能够自我变形

  思凯勒·蒂比茨是麻省理工自动化实验室的创始人,今年2月他在加利福尼亚长滩岛举行的TED会议上公布了他们所研发的4D打印技术。消息一出,整个业界为之沸腾,连带着相关高科技材料的股票也出现暴涨。

  什么是4D打印?听起来它只是比3D打印多了一个数字,但实际上却是完全不同的概念。“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完全复制。”蒂比茨说,“4D打印则是直接将想要的性状输入材料当中,然后物体会‘自动’出现,不需要任何复杂的机电设备。”

  这听起来很玄妙,事实上做起来也是如此。非物理学、材料学以及计算机学专业的人会晕头转向,但如果换一种方式解释呢?工程软件开发商“欧特克”(Autodesk)一直以来都在研究4D打印技术,他们的首席研究科学家卡罗·奥古因打了个比方:“想象一下你从宜家买回来一张椅子,将它放在房间,然后它会自动组装,这就是4D打印。”

  灵感来自生物自我复制

  麻省理工的自动化实验室一直都对生物的自我复制感兴趣,蒂比茨更是如此。早在2011年参加TED会议时,他就谈到了自己对于未来制造业的期待。“我相信机器和建筑很快就能够自我组装、复制以及修复,因为这是自然系统的内在能力。”

  “在当前的制造业中,我们可以用两年半时间修建一座有50万甚至上百万个部件组成的摩天大楼。这是非常复杂的设计,使用了最先进的钢铁、混凝土以及玻璃。我们还可以用5年时间来制造令人激动的航天器,它们有250万个组成部分。”这些都是了不起的成就,但是和自然系统相比呢?“我们有200万种类型的蛋白质,它们能在一万纳秒(时间单位,即一秒的10亿分之一)内折叠起来。而在大约1小时的时间内,30亿个碱基对会进行DNA复制。”

  经过这样的比较,蒂比茨说人类的能力显得相当渺小,“可是如果能够学会自然系统的规律,那我们构建事物的方式就会变得无比高效。”

  解码和材料选择是关键

  如今,蒂比茨和他的实验室真的带来了4D打印的概念和显示作品,并在今年的TED会议时演示了这一技术。在视频当中,他“打印”出一条“绳子”。之后,这根“绳子”自己扭成了一个立方体。这只是众多复杂步骤中的一个,如果有10万条“绳子”的话,它们会变成更加复杂的东西。

  根据科技博客“Geek”的解释,4D打印的关键不在于最终能够生成什么,而是在过程中的“形变”。“4D打印中的第四个维度是‘自主组装’,”文章写道,“但归根结底还是‘时间’,因为组装过程是在打印之后发生的。物体被打印出来,然后跟某种介质接触,产生预设反应。在蒂比茨的实验中,水是形变的介质。”

  当然,不是所有材料和水接触后都能完成“自主组装”,解码和材料选择是关键。蒂比茨将想要制作的内容进行解码,这是一种类似于解析人类DNA序列的逆向工作。然后,他选择普通塑料和一种活性物质(蛋白质),将解码后的序列植入其中。接下来奇迹就出现了,这些带着“智慧”的物质会按照设想发生形变,“它们可以扭转120度、负120度,直至到达最精确的位置。”

  未来下水道会自己生长?

  4D技术的出现让业界为之振奋,这种分型艺术的奇妙让全世界的设计师和建筑师为之痴狂。想想看,你只需要在电脑前将一座摩天大楼进行解码,然后输入到特定的材质当中,它就可以自动“长”出屋顶、承重墙以及电梯间……

  “要知道,打印其实并不是一个新鲜的概念,”蒂比茨说,“可是当它涉及未来的变化时就不一样了。我们可以随意生成很多架构,利用材料的弯曲和扭转来改变生活中的很多方面。如果地下水管能够实现自我伸缩,以应对不同的需求和流量,这样就能够节省掉挖掘街道的步骤了。”

  此外,这一技术还有可能应用到家具、自行车、汽车甚至是医疗领域。不过,由于解码的步骤非常复杂,所以目前4D打印技术还只能“打印”可以自动变形的条状物体。接下来蒂比茨和他的同行们的研究目标是“打印”片状物体,然后才是结构更加复杂的物体。尽管还不够完善,但蒂比茨显然已经触摸到改变未来世界的“门把手”。

  蒂比茨的特殊艺术品

  在麻省理工第55楼和第66楼之间,有一座特殊的艺术品(见上图)。那是蒂比茨和他的同事以及学生们精心设计的,并作为学校150周年校庆以及艺术、科学和技术节的礼物。它的名字叫做“VoltDom”,是象征着未来设计的装置艺术。

  这是一座由玻璃和混凝土组成的艺术品,但所采用的材质并不是普通的玻璃和混凝土。它们是蒂比茨采用新材料的杰作,未来他希望能够用4D打印技术来完成这种复杂的、数以百计的拱形结构。如今,它被镶嵌在走廊上,根据一天中的光线变化呈现出不同的形态。之所以能够呈现出这一点,是因为VoldDom内部的拱形全都不一样,材料的厚度也不一致,光线不能穿透其中,只能通过各种反射和折射。

  蒂比茨希望通过VoltaDom来拓展“surface panel”(面板)的现代建筑概念,通过强化双曲拱顶面的深度来体现这种感觉。这是他和团队合力组装的作品,如果4D打印能够继续发展,他完全可以直接将其“打印”出来。

  蒂比茨和他的实验室

  蒂比茨所带来的4D打印技术尚未成熟,但却在世界范围内迅速掀起波澜。相关的记忆金属以及软件公司股价大涨,一时间有洛阳纸贵的趋势。但炒热概念股并不是他们的目标,就像他的实验室SJET LLC在官网上所写的那样,“我们对于科技的探索永无止境。”

  作为毕业于费城大学的高材生,蒂比茨当年拿着5年的建筑学学士学位以及辅修的实验计算机学位来到麻省理工,在这里继续深造并拿到计算机科学的硕士学位。2007年,他在麻省理工建立了SJET LLC,最初他们只是想搭建一个设计和计算机实验的平台。但经过多年发展,如今该实验室已经横跨建筑、设计、制造、电子科学和机器人学等多个领域。而蒂比茨作为领军人物,也成为目前设计、建筑以及自动组装系统界的红人。

  在过去几年间,他获得了TED2011年和2012年的奖学金,被《种子杂志》评为“最有革命思想的人”之一。他在美国现代艺术馆进行过演讲,参加了古根海姆波博物馆和北京双年展,还作为客座学者在宾夕法尼亚大学、普拉特学院、哈佛大学研究生院等进行讲学。

责任编辑: 漠漠
三项金融改革加快推进 或释放最大红利
随着利率市场化改革进一步推进、人民币汇率进入均衡区间、人民币资本项目可兑换改革的进一步深化,以及存款保险制度的建立和实施,中国经济正步入对外开放的转型期。
大公资讯 中国 军事 言论 图片 财经 产经 金融 汽车 娱乐 明星 生活 科技 书画 报纸 香港在线 国际 社会 教育 副刊 食品 会展 宏观 体育 健康 女人 人物 历史 专题