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2015-02-26 02:03
廈門科技 2015年1期
4D打印：讓世界可編程
無論是可以自行搭建的房屋，還是變形機(jī)器人，要實(shí)現(xiàn)這些“未來感”十足的概念，都可以從研究簡單結(jié)構(gòu)開始——比如管道?，F(xiàn)在的城市中，給排水管所使用的還是埋入地下的、流量固定的硬質(zhì)管道。一般情況下，這套系統(tǒng)運(yùn)行起來沒什么問題，但如果需要增大對某一地區(qū)的供水量，或者遇到水管破裂時，我們就不得不將整段水管挖出來進(jìn)行更換。
一種可行的替代方案是，采用可根據(jù)指令或壓強(qiáng)而改變形狀，或能在破裂時自行修補(bǔ)的管道?，F(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和材料等領(lǐng)域不斷進(jìn)步，開發(fā)出這樣的管道已經(jīng)不再是幻想。這些進(jìn)展，以及由此帶來的全新設(shè)計(jì)，將會為我們帶來一個遍布著可編程物體（具備自組裝能力，可根據(jù)指令改變外形或性質(zhì)的實(shí)物）的新世界。
現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)著手開發(fā)自組裝設(shè)備了，只不過它們還非常微小——僅有納米級，可以用作生化傳感器、電子設(shè)備，或是給藥載體。我們感興趣的是，當(dāng)可編程物體的大小達(dá)到人體尺度時，又會是怎樣一番情形呢？要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主要有兩種方法：一是制造出獨(dú)立的、能自動結(jié)合或分離的基礎(chǔ)構(gòu)建模塊，用來組成更大的可編程結(jié)構(gòu)；而另一個方向是，建造具有單一完整結(jié)構(gòu)的變形物體，即在物體的恰當(dāng)位置嵌入鉸鏈、應(yīng)力點(diǎn)或電子設(shè)備，讓它們在需要的情況下改變形狀。我們稱第二種方法為4D打印。同3D打印一樣，4D打印也是通過逐層下料來構(gòu)建物體。區(qū)別是，通過4D打印，可以制造出能在一定條件下改變外形或性質(zhì)的物體。
使用可編程物體，可以節(jié)省原料、能源和勞動力——想象一下，椅子能夠自己變成桌子，還有那些柔軟的、能自我修復(fù)的輸水管道。這樣，就可以在不需要人工參與的情況下，建造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)器。在外層空間等惡劣環(huán)境中，這類系統(tǒng)尤其具有價(jià)值。例如，可以將一個小型壓縮包發(fā)射到太空中，進(jìn)入預(yù)定軌道后，就能自動變形為一顆具有特定功能的人造衛(wèi)星。其他用于外層空間的設(shè)備也可以設(shè)計(jì)成多種用途，比方說太陽能面板陣列，在需要時能夠變形成為拋物面天線或儲物艙。
不過，可變形物體同樣會帶來前所未有的風(fēng)險(xiǎn)。想象一下一個能被黑客劫持的世界：黑客們可以蓄意破壞變體飛機(jī)的機(jī)翼；也能夠命令建筑在內(nèi)部還有人的情況下自動拆解。此外，因?yàn)楫a(chǎn)品可以從一種形態(tài)變成另一種，知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)問題也會變得更加錯綜復(fù)雜，由此引發(fā)的專利問題可能是管理部門想都沒想過的。這些風(fēng)險(xiǎn)的存在，使得我們必須仔細(xì)評估這種革命性技術(shù)，以便從一開始就建立相應(yīng)的解決方案、控制措施以及管理政策。
微型機(jī)器人
從上世紀(jì)90年代初開始，雖然人數(shù)不多，但已經(jīng)有一些富于想象力的科學(xué)家在討論可編程物體了。不過直到2007年，該領(lǐng)域的研究才獲得了快速的發(fā)展。當(dāng)時，美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）資助了一項(xiàng) “可編程物體”的研究。DARPA提出的是一項(xiàng)歷時數(shù)年的研發(fā)計(jì)劃，目標(biāo)是設(shè)計(jì)和建造微尺度級別的機(jī)器人，能夠組合或變形為更大型的軍用系統(tǒng)，如實(shí)體展示器或?qū)Ｓ锰炀€。研究人員將機(jī)器人縮小到毫米級尺度，差不多相當(dāng)于一根鉛筆的粗細(xì)。在幾年的時間內(nèi)，他們已經(jīng)成功地展示了體積微小的變形機(jī)器人。
蒂比茨（本文作者之一）一直在探索，如何使用4D打印來建造不需要傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)（馬達(dá)、電線和電子設(shè)備）的機(jī)器。在麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室（Self-Assembly Lab）里，他和同事研制出了大量成果，其中就包括一種利用特殊聚合物制成的蛇形物，能在注水后折疊出字母“MIT”（麻省理工學(xué)院的英文縮寫）的形狀，這種單鏈聚合物還能自動從“MIT”自動變成 “SAL”（自組裝實(shí)驗(yàn)室的英文縮寫）的形狀；還有一種平面結(jié)構(gòu)，可以自行折疊成截角八面體；以及一種平圓盤，在接觸水時會變成彎曲的折疊結(jié)構(gòu)。
在打印特殊柔性結(jié)構(gòu)的過程中，美國弗吉尼亞理工大學(xué)的克里斯托弗·B·威廉姆斯（Christopher B.Williams）為其植入了合金鋼絲和印刷電路。打印完成后，通過外界信號就能觸發(fā)柔性結(jié)構(gòu)，改變物體形狀。這種方法在機(jī)器人、家具組裝和建筑等領(lǐng)域中都具有很好的應(yīng)用前景。
威廉姆斯與坎貝爾（本文的另一位作者）合作，又向前邁進(jìn)了一步——他們將4D打印同納米材料結(jié)合在一起。在打印出的物體中嵌入納米材料，就可以制造出能在電磁波（可見光和紫外光）的作用下改變屬性的多功能納米復(fù)合材料。例如，利用會在不同光照條件下改變顏色的嵌入式納米材料，該研究小組打印出了 “Virginia Tech”（弗吉尼亞理工大學(xué)）的標(biāo)志。進(jìn)一步發(fā)展和完善后，在這類新材料的基礎(chǔ)上，可以開發(fā)出全新的傳感器，能夠植入醫(yī)療設(shè)備，用于測量血壓、胰島素水平和其他醫(yī)學(xué)指標(biāo)的極限數(shù)值。
計(jì)算上的難題
今天，用3D打印做出靜態(tài)的 “MIT”或者“Virginia Tech”的標(biāo)志都不算什么難事，只需要將你想要的物品的相關(guān)信息輸入3D打印機(jī)就行了。然而，要打印出能改變形狀的物品，還需要設(shè)計(jì)可通過程序來控制的特性，如應(yīng)力點(diǎn)和可彎點(diǎn)，或?qū)⒓{米材料嵌入物品。然而，這樣的工程設(shè)計(jì)又帶來了計(jì)算方面的棘手難題，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)超出了當(dāng)前CAD的能力。
例如，想打印出一種能從桌子變成椅子的物品。雖然從拓?fù)鋵W(xué)上來說，桌子變成椅子有很多種途徑，然而在現(xiàn)實(shí)中，其中大多途徑都無法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谧冃芜^程中，物品往往會被自身結(jié)構(gòu)阻擋，甚至纏繞在一起。要尋找最佳的解決方案，就必須解決復(fù)雜的仿真問題。研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一個“物理機(jī)制庫”，并將其作為設(shè)計(jì)所有物體的基礎(chǔ)，包括折疊、拉伸、扭轉(zhuǎn)、收縮等形變機(jī)制。物體的形變依賴于基礎(chǔ)模塊的協(xié)同工作。我們能以線性模式設(shè)計(jì)物體，例如折疊或拉伸；或者根據(jù)邏輯順序?qū)λ鼈冞M(jìn)行編程——遇到特定情況，就執(zhí)行相應(yīng)的動作。
很快，這些組合就會變得極其復(fù)雜，以至于預(yù)測它們的行為將非常困難。所以，要將可編程物品變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，第一步就是要開發(fā)出全新的設(shè)計(jì)軟件。設(shè)計(jì)人員需要使用計(jì)算機(jī)來模擬4D打印出的物體如何變形，并將他們的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為打印機(jī)能夠理解的指令。他們還需要相應(yīng)的軟件，來避免那些難以預(yù)見的問題，例如避免物體在變形時自已纏繞在一起。作為邁向這個目標(biāo)的第一步，蒂比茨的研究小組同歐特克公司（Autodesk，美國著名設(shè)計(jì)軟件企業(yè)）合作，開發(fā)出了“賽博格”（Project Cyborg）軟件，能夠模擬和優(yōu)化4D打印物品的動力學(xué)性能。利用賽博格軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合Stratasys公司制造的可使用多種材料的3D打印機(jī)，以及同樣由該公司研發(fā)的一種浸入水中后尺寸能延展150%的聚合物，蒂比茨的研究小組制造出了可以自動折疊的MIT標(biāo)志，以及其他的一些4D打印的物品。
到目前為止，研究人員設(shè)計(jì)出的物品大多相當(dāng)簡單，所使用的接合點(diǎn)和材料都只有一兩種而已。不過，用于制造更復(fù)雜設(shè)備的材料已經(jīng)具備，而且隨著材料種類的不斷擴(kuò)展，能限制我們的就只剩下我們的計(jì)算能力和想象力了，當(dāng)然還有物理學(xué)定律。
軍事上的應(yīng)用
在可編程物體研究中，有一個常用的概念——“體素”（voxel），即“體積元素”的簡稱。在計(jì)算過程中，體素就相當(dāng)于三維空間中的像素。在可編程物體中，體素是構(gòu)建復(fù)雜設(shè)備的最基本單位。體素通常是由硅、陶瓷、塑料或鈦等材料制成的不同大小的合成顆粒。根據(jù)需要，它們可以被打造成用途廣泛的子系統(tǒng)，如儲能器件、致動器、傳感器、導(dǎo)體、絕緣體、保護(hù)外殼、天線、甚至微型計(jì)算機(jī)。體素被組裝到一起后，可以作為整體進(jìn)行編程，改變形狀或功能，或者變成完全不同的物品。
在最近出版的新書 《制造：3D打印的新世界》（Fabricated:The New Word of 3D Pringting）中，霍德·利普森 （Hod Lipson）和梅爾巴·庫曼（Melba Kuman）利用體素的概念，將可編程物體同生命體進(jìn)行了類比。畢竟，生命體中的許多蛋白質(zhì)也只是由22個基礎(chǔ)模塊——氨基酸構(gòu)成的?！叭绻麉^(qū)區(qū)20多種基礎(chǔ)模塊就能作為所有生命的基礎(chǔ)，那么少量基本體素類型，也同樣可以帶來大量的可能性，”利普森和庫曼在書中寫道?？捎玫幕A(chǔ)模塊包括硬體素和軟體素，比如布線用的導(dǎo)電體素，以及由電阻、電容、電感和晶體管體素組成的電路，“再加上致動器和傳感器體素，”他們寫道，“一部機(jī)器人就完成了。”
美國軍方對這種機(jī)器人很感興趣。美國陸軍和海軍已經(jīng)開始了相關(guān)研究，希望能在戰(zhàn)場或軍艦上使用3D打印技術(shù)制造零件，以免除成千上萬個零部件因運(yùn)輸和儲存帶來的巨大消耗，節(jié)約大量的時間、空間和費(fèi)用?？删幊涛矬w的優(yōu)勢還不止這些，想象一下，在潛艇上備上一箱體素，會有多么方便：如果潛艇的某個零部件損壞了，或者需要某種特殊工具，只需要使用相應(yīng)的體素，并對其進(jìn)行編程，把它們制成所需的零部件或工具就可以了。工具用完后，還可以讓它重新分解回體素，以備后用。
除零部件和工具外，可編程物體可以用于制造能根據(jù)外界環(huán)境及人體體征來調(diào)節(jié)溫度的新型作戰(zhàn)服。2014年，美國陸軍投入了近100萬美元，資助一項(xiàng)使用4D打印制造動態(tài)偽裝的研究。將目光放得更遠(yuǎn)一些，再加上一些想象力，就可以預(yù)見，能通過形變來繞過或通過障礙物的機(jī)器人終將成為現(xiàn)實(shí)，正如電影《終結(jié)者2》里的T-1000型機(jī)器人一樣。
此外，不管是軍用還是民用，可編程物體還可以在大型建筑領(lǐng)域一顯身手。想象一下可能出現(xiàn)的自組裝建筑——不再需要磚頭或澆灌混凝土，只需要相當(dāng)于建筑體積的程控物質(zhì)一股腦倒入地基，然后命令它們“生長”或“穩(wěn)定”成最終的結(jié)構(gòu)，同時其中的水電線路也一應(yīng)俱全。雖然對于普通的民居來說，似乎不必弄得如此復(fù)雜，但若在交戰(zhàn)區(qū)域或火星表面之類的惡劣環(huán)境下，這樣的自組裝房屋就變得非常有吸引力了。
面向未來
在這里列舉的僅是可編程物質(zhì)的幾種典型應(yīng)用，研究人員可采取的方案遠(yuǎn)不止于此。除此之外，還有能根據(jù)氣壓或溫度變化自動調(diào)整形狀的飛機(jī)機(jī)翼；能隨路面和天氣狀況改變抓地面積的輪胎；自修補(bǔ)材料不僅可以保護(hù)飛機(jī)，也可以讓橋梁在交通流量突增或地震等突發(fā)情況下確保安全；當(dāng)然，還有自組裝家具，幾乎人人都希望能在宜家（lkea）買到這樣的東西——看起來只是一塊平板，卻能根據(jù)命令自動折疊出不同的家具。
這些概念聽起來似乎很玄，但它們的確基于真實(shí)的工程學(xué)和科學(xué)研究。不過，面臨的困難也依然艱巨。除了計(jì)算帶來的挑戰(zhàn)之外，可編程物體也超越了當(dāng)今材料科學(xué)和制造業(yè)的極限。為了制造那些自折疊的 “MIT”以及具有光敏特性的“Virginia Tech”標(biāo)志，科學(xué)家采用的是全新的聚合物。那么要想建造自組裝房屋，或者可變形飛機(jī)機(jī)翼，又需要使用哪些新材料呢？即使成功地開發(fā)出了基礎(chǔ)模塊，我們?nèi)詴鎸θ绾螌⑺鼈兘M裝成大尺度復(fù)雜物品的挑戰(zhàn)。此外，還有諸多問題等待我們?nèi)ソ鉀Q，比如如何將體素揉合在一起？應(yīng)該怎樣對它們編程？它們又利用什么形式的能量來進(jìn)行自組裝呢？
即便上述這些都能得到完美解決，我們?nèi)詫⒚媾R先前提到過的那些挑戰(zhàn)，包括被黑客劫持的風(fēng)險(xiǎn)和棘手的知識產(chǎn)權(quán)問題。不過，我們應(yīng)該很快就有機(jī)會解決這些難題。在過去的一年半里，蒂比茨已經(jīng)與數(shù)家公司展開了合作，研發(fā)變形材料、產(chǎn)品和構(gòu)造體系?？藏悹柡屯匪挂苍诤鸵患夜旧陶劊繕?biāo)是將4D打印和納米材料用于防偽系統(tǒng)?？雌饋恚越M裝房屋離我們或許并沒有想象中的那么遠(yuǎn)。
（摘自《環(huán)球科學(xué)》2014年2月號總第108期）
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一種可行的替代方案是，采用可根據(jù)指令或壓強(qiáng)而改變形狀，或能在破裂時自行修補(bǔ)的管道?，F(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和材料等領(lǐng)域不斷進(jìn)步，開發(fā)出這樣的管道已經(jīng)不再是幻想。這些進(jìn)展，以及由此帶來的全新設(shè)計(jì)，將會為我們帶來一個遍布著可編程物體（具備自組裝能力，可根據(jù)指令改變外形或性質(zhì)的實(shí)物）的新世界。
現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)著手開發(fā)自組裝設(shè)備了，只不過它們還非常微小——僅有納米級，可以用作生化傳感器、電子設(shè)備，或是給藥載體。我們感興趣的是，當(dāng)可編程物體的大小達(dá)到人體尺度時，又會是怎樣一番情形呢？要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主要有兩種方法：一是制造出獨(dú)立的、能自動結(jié)合或分離的基礎(chǔ)構(gòu)建模塊，用來組成更大的可編程結(jié)構(gòu)；而另一個方向是，建造具有單一完整結(jié)構(gòu)的變形物體，即在物體的恰當(dāng)位置嵌入鉸鏈、應(yīng)力點(diǎn)或電子設(shè)備，讓它們在需要的情況下改變形狀。我們稱第二種方法為4D打印。同3D打印一樣，4D打印也是通過逐層下料來構(gòu)建物體。區(qū)別是，通過4D打印，可以制造出能在一定條件下改變外形或性質(zhì)的物體。
使用可編程物體，可以節(jié)省原料、能源和勞動力——想象一下，椅子能夠自己變成桌子，還有那些柔軟的、能自我修復(fù)的輸水管道。這樣，就可以在不需要人工參與的情況下，建造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)器。在外層空間等惡劣環(huán)境中，這類系統(tǒng)尤其具有價(jià)值。例如，可以將一個小型壓縮包發(fā)射到太空中，進(jìn)入預(yù)定軌道后，就能自動變形為一顆具有特定功能的人造衛(wèi)星。其他用于外層空間的設(shè)備也可以設(shè)計(jì)成多種用途，比方說太陽能面板陣列，在需要時能夠變形成為拋物面天線或儲物艙。
不過，可變形物體同樣會帶來前所未有的風(fēng)險(xiǎn)。想象一下一個能被黑客劫持的世界：黑客們可以蓄意破壞變體飛機(jī)的機(jī)翼；也能夠命令建筑在內(nèi)部還有人的情況下自動拆解。此外，因?yàn)楫a(chǎn)品可以從一種形態(tài)變成另一種，知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)問題也會變得更加錯綜復(fù)雜，由此引發(fā)的專利問題可能是管理部門想都沒想過的。這些風(fēng)險(xiǎn)的存在，使得我們必須仔細(xì)評估這種革命性技術(shù)，以便從一開始就建立相應(yīng)的解決方案、控制措施以及管理政策。
微型機(jī)器人
從上世紀(jì)90年代初開始，雖然人數(shù)不多，但已經(jīng)有一些富于想象力的科學(xué)家在討論可編程物體了。不過直到2007年，該領(lǐng)域的研究才獲得了快速的發(fā)展。當(dāng)時，美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）資助了一項(xiàng) “可編程物體”的研究。DARPA提出的是一項(xiàng)歷時數(shù)年的研發(fā)計(jì)劃，目標(biāo)是設(shè)計(jì)和建造微尺度級別的機(jī)器人，能夠組合或變形為更大型的軍用系統(tǒng)，如實(shí)體展示器或?qū)Ｓ锰炀€。研究人員將機(jī)器人縮小到毫米級尺度，差不多相當(dāng)于一根鉛筆的粗細(xì)。在幾年的時間內(nèi)，他們已經(jīng)成功地展示了體積微小的變形機(jī)器人。
蒂比茨（本文作者之一）一直在探索，如何使用4D打印來建造不需要傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)（馬達(dá)、電線和電子設(shè)備）的機(jī)器。在麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室（Self-Assembly Lab）里，他和同事研制出了大量成果，其中就包括一種利用特殊聚合物制成的蛇形物，能在注水后折疊出字母“MIT”（麻省理工學(xué)院的英文縮寫）的形狀，這種單鏈聚合物還能自動從“MIT”自動變成 “SAL”（自組裝實(shí)驗(yàn)室的英文縮寫）的形狀；還有一種平面結(jié)構(gòu)，可以自行折疊成截角八面體；以及一種平圓盤，在接觸水時會變成彎曲的折疊結(jié)構(gòu)。
在打印特殊柔性結(jié)構(gòu)的過程中，美國弗吉尼亞理工大學(xué)的克里斯托弗·B·威廉姆斯（Christopher B.Williams）為其植入了合金鋼絲和印刷電路。打印完成后，通過外界信號就能觸發(fā)柔性結(jié)構(gòu)，改變物體形狀。這種方法在機(jī)器人、家具組裝和建筑等領(lǐng)域中都具有很好的應(yīng)用前景。
威廉姆斯與坎貝爾（本文的另一位作者）合作，又向前邁進(jìn)了一步——他們將4D打印同納米材料結(jié)合在一起。在打印出的物體中嵌入納米材料，就可以制造出能在電磁波（可見光和紫外光）的作用下改變屬性的多功能納米復(fù)合材料。例如，利用會在不同光照條件下改變顏色的嵌入式納米材料，該研究小組打印出了 “Virginia Tech”（弗吉尼亞理工大學(xué)）的標(biāo)志。進(jìn)一步發(fā)展和完善后，在這類新材料的基礎(chǔ)上，可以開發(fā)出全新的傳感器，能夠植入醫(yī)療設(shè)備，用于測量血壓、胰島素水平和其他醫(yī)學(xué)指標(biāo)的極限數(shù)值。
計(jì)算上的難題
今天，用3D打印做出靜態(tài)的 “MIT”或者“Virginia Tech”的標(biāo)志都不算什么難事，只需要將你想要的物品的相關(guān)信息輸入3D打印機(jī)就行了。然而，要打印出能改變形狀的物品，還需要設(shè)計(jì)可通過程序來控制的特性，如應(yīng)力點(diǎn)和可彎點(diǎn)，或?qū)⒓{米材料嵌入物品。然而，這樣的工程設(shè)計(jì)又帶來了計(jì)算方面的棘手難題，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)超出了當(dāng)前CAD的能力。
例如，想打印出一種能從桌子變成椅子的物品。雖然從拓?fù)鋵W(xué)上來說，桌子變成椅子有很多種途徑，然而在現(xiàn)實(shí)中，其中大多途徑都無法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谧冃芜^程中，物品往往會被自身結(jié)構(gòu)阻擋，甚至纏繞在一起。要尋找最佳的解決方案，就必須解決復(fù)雜的仿真問題。研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一個“物理機(jī)制庫”，并將其作為設(shè)計(jì)所有物體的基礎(chǔ)，包括折疊、拉伸、扭轉(zhuǎn)、收縮等形變機(jī)制。物體的形變依賴于基礎(chǔ)模塊的協(xié)同工作。我們能以線性模式設(shè)計(jì)物體，例如折疊或拉伸；或者根據(jù)邏輯順序?qū)λ鼈冞M(jìn)行編程——遇到特定情況，就執(zhí)行相應(yīng)的動作。
很快，這些組合就會變得極其復(fù)雜，以至于預(yù)測它們的行為將非常困難。所以，要將可編程物品變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，第一步就是要開發(fā)出全新的設(shè)計(jì)軟件。設(shè)計(jì)人員需要使用計(jì)算機(jī)來模擬4D打印出的物體如何變形，并將他們的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為打印機(jī)能夠理解的指令。他們還需要相應(yīng)的軟件，來避免那些難以預(yù)見的問題，例如避免物體在變形時自已纏繞在一起。作為邁向這個目標(biāo)的第一步，蒂比茨的研究小組同歐特克公司（Autodesk，美國著名設(shè)計(jì)軟件企業(yè)）合作，開發(fā)出了“賽博格”（Project Cyborg）軟件，能夠模擬和優(yōu)化4D打印物品的動力學(xué)性能。利用賽博格軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合Stratasys公司制造的可使用多種材料的3D打印機(jī)，以及同樣由該公司研發(fā)的一種浸入水中后尺寸能延展150%的聚合物，蒂比茨的研究小組制造出了可以自動折疊的MIT標(biāo)志，以及其他的一些4D打印的物品。
到目前為止，研究人員設(shè)計(jì)出的物品大多相當(dāng)簡單，所使用的接合點(diǎn)和材料都只有一兩種而已。不過，用于制造更復(fù)雜設(shè)備的材料已經(jīng)具備，而且隨著材料種類的不斷擴(kuò)展，能限制我們的就只剩下我們的計(jì)算能力和想象力了，當(dāng)然還有物理學(xué)定律。
軍事上的應(yīng)用
在可編程物體研究中，有一個常用的概念——“體素”（voxel），即“體積元素”的簡稱。在計(jì)算過程中，體素就相當(dāng)于三維空間中的像素。在可編程物體中，體素是構(gòu)建復(fù)雜設(shè)備的最基本單位。體素通常是由硅、陶瓷、塑料或鈦等材料制成的不同大小的合成顆粒。根據(jù)需要，它們可以被打造成用途廣泛的子系統(tǒng)，如儲能器件、致動器、傳感器、導(dǎo)體、絕緣體、保護(hù)外殼、天線、甚至微型計(jì)算機(jī)。體素被組裝到一起后，可以作為整體進(jìn)行編程，改變形狀或功能，或者變成完全不同的物品。
在最近出版的新書 《制造：3D打印的新世界》（Fabricated:The New Word of 3D Pringting）中，霍德·利普森 （Hod Lipson）和梅爾巴·庫曼（Melba Kuman）利用體素的概念，將可編程物體同生命體進(jìn)行了類比。畢竟，生命體中的許多蛋白質(zhì)也只是由22個基礎(chǔ)模塊——氨基酸構(gòu)成的?！叭绻麉^(qū)區(qū)20多種基礎(chǔ)模塊就能作為所有生命的基礎(chǔ)，那么少量基本體素類型，也同樣可以帶來大量的可能性，”利普森和庫曼在書中寫道?？捎玫幕A(chǔ)模塊包括硬體素和軟體素，比如布線用的導(dǎo)電體素，以及由電阻、電容、電感和晶體管體素組成的電路，“再加上致動器和傳感器體素，”他們寫道，“一部機(jī)器人就完成了。”
美國軍方對這種機(jī)器人很感興趣。美國陸軍和海軍已經(jīng)開始了相關(guān)研究，希望能在戰(zhàn)場或軍艦上使用3D打印技術(shù)制造零件，以免除成千上萬個零部件因運(yùn)輸和儲存帶來的巨大消耗，節(jié)約大量的時間、空間和費(fèi)用?？删幊涛矬w的優(yōu)勢還不止這些，想象一下，在潛艇上備上一箱體素，會有多么方便：如果潛艇的某個零部件損壞了，或者需要某種特殊工具，只需要使用相應(yīng)的體素，并對其進(jìn)行編程，把它們制成所需的零部件或工具就可以了。工具用完后，還可以讓它重新分解回體素，以備后用。
除零部件和工具外，可編程物體可以用于制造能根據(jù)外界環(huán)境及人體體征來調(diào)節(jié)溫度的新型作戰(zhàn)服。2014年，美國陸軍投入了近100萬美元，資助一項(xiàng)使用4D打印制造動態(tài)偽裝的研究。將目光放得更遠(yuǎn)一些，再加上一些想象力，就可以預(yù)見，能通過形變來繞過或通過障礙物的機(jī)器人終將成為現(xiàn)實(shí)，正如電影《終結(jié)者2》里的T-1000型機(jī)器人一樣。
此外，不管是軍用還是民用，可編程物體還可以在大型建筑領(lǐng)域一顯身手。想象一下可能出現(xiàn)的自組裝建筑——不再需要磚頭或澆灌混凝土，只需要相當(dāng)于建筑體積的程控物質(zhì)一股腦倒入地基，然后命令它們“生長”或“穩(wěn)定”成最終的結(jié)構(gòu)，同時其中的水電線路也一應(yīng)俱全。雖然對于普通的民居來說，似乎不必弄得如此復(fù)雜，但若在交戰(zhàn)區(qū)域或火星表面之類的惡劣環(huán)境下，這樣的自組裝房屋就變得非常有吸引力了。
面向未來
在這里列舉的僅是可編程物質(zhì)的幾種典型應(yīng)用，研究人員可采取的方案遠(yuǎn)不止于此。除此之外，還有能根據(jù)氣壓或溫度變化自動調(diào)整形狀的飛機(jī)機(jī)翼；能隨路面和天氣狀況改變抓地面積的輪胎；自修補(bǔ)材料不僅可以保護(hù)飛機(jī)，也可以讓橋梁在交通流量突增或地震等突發(fā)情況下確保安全；當(dāng)然，還有自組裝家具，幾乎人人都希望能在宜家（lkea）買到這樣的東西——看起來只是一塊平板，卻能根據(jù)命令自動折疊出不同的家具。
這些概念聽起來似乎很玄，但它們的確基于真實(shí)的工程學(xué)和科學(xué)研究。不過，面臨的困難也依然艱巨。除了計(jì)算帶來的挑戰(zhàn)之外，可編程物體也超越了當(dāng)今材料科學(xué)和制造業(yè)的極限。為了制造那些自折疊的 “MIT”以及具有光敏特性的“Virginia Tech”標(biāo)志，科學(xué)家采用的是全新的聚合物。那么要想建造自組裝房屋，或者可變形飛機(jī)機(jī)翼，又需要使用哪些新材料呢？即使成功地開發(fā)出了基礎(chǔ)模塊，我們?nèi)詴鎸θ绾螌⑺鼈兘M裝成大尺度復(fù)雜物品的挑戰(zhàn)。此外，還有諸多問題等待我們?nèi)ソ鉀Q，比如如何將體素揉合在一起？應(yīng)該怎樣對它們編程？它們又利用什么形式的能量來進(jìn)行自組裝呢？
即便上述這些都能得到完美解決，我們?nèi)詫⒚媾R先前提到過的那些挑戰(zhàn)，包括被黑客劫持的風(fēng)險(xiǎn)和棘手的知識產(chǎn)權(quán)問題。不過，我們應(yīng)該很快就有機(jī)會解決這些難題。在過去的一年半里，蒂比茨已經(jīng)與數(shù)家公司展開了合作，研發(fā)變形材料、產(chǎn)品和構(gòu)造體系?？藏悹柡屯匪挂苍诤鸵患夜旧陶劊繕?biāo)是將4D打印和納米材料用于防偽系統(tǒng)?？雌饋恚越M裝房屋離我們或許并沒有想象中的那么遠(yuǎn)。
（摘自《環(huán)球科學(xué)》2014年2月號總第108期）
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