发布需求
美国一家科技设计公司利用4D打印技术制造弹性贴身布料,并打印出全球第一件“4D裙”。
目前,4D打印只能实现一些非常简单的变化,图中的黑色小棍,放入水中后自己变成复杂的凹字形。
当3D打印技术已经不那么神秘的时候,一种名为4D打印的技术又跃入了我们的眼帘,它到底有什么神奇的地方呢?
还记得漫画《七龙珠》中的“万能胶囊”吗?一粒随身携带的小药丸,只需扔出去,“嘭”的一声后,就能瞬间变形成五花八门的现代化工具:摩托车、飞船甚至房屋。这个异想天开的场景或许将在不久的未来成为现实——借助最新的4D打印技术,科学家能给物体添加“时间”的纬度,让它们变得拥有“智能记忆功能”,在特定条件下自动“变形”为预先设定的形态。
物体能自动变形
却没有电线和电机
在2013年2月26日美国洛杉矶举行的TED(科技、教育和设计)2013大会上,麻省理工学院建筑学院自动化实验室科学家斯凯拉·蒂比茨演示了4D打印技术。他拿出两根貌似普通的长绳扔进水中,绳子很快就发生了不可思议的变化:第一根绳子像有生命一般,慢慢地卷曲、变形,然后自动形成了字母“MIT”的字样。另一根绳子则似乎在做机械运动,折叠成多个90度直角,最后形成了一个规整的立方体框架。
这是怎么做到的?初看无特别之处的长绳其实是带有关节的4D打印复合物,其主要由两种材料合成。一种是高分子聚合物,在水中可以延展到自身原来长度的两倍；另外一种材料则可以在水中保持固定形态。借助设计软件和3D打印机,蒂比茨将可延展和不可延展的两种材料混合打印到一缕绳线中,只要将它放入热水浸泡,用不了多久就可以弯曲变形成预先设定的形状。
“4D打印本质上其实就是利用复合材料进行的3D打印,通过这种方式增加了一项功能,那就是变形。”蒂比茨说:“这就像是机器人,只是没有电线和发动机。”
表面上看,4D打印就是在传统3D打印的概念中加入了时间元素,被打印物体可以随着时间的推移而在形态上发生自我调整。但4D打印并不是“第四维度”,按照蒂比茨的概念来解释,是材料自动变成预设的模型,通过软件设定模型和时间,变形材料会在指定时间之内变形为所需的形状。
那么4D打印的优势在哪里呢?蒂比茨认为,4D打印让快速建模有了根本性的转变。与3D打印的预先建模之后使用物料成型不同,4D打印是直接将设计内置到物料当中,简化了从“设计理念”到“实物”成型的过程。让物体实现“自动”创造,不需要连接任何复杂的机电设备。
简单来说,4D打印是一种无需打印机器就能让材料快速成型的新技术,而3D打印需要通过打印机来实现。与3D打印需要建模、扫描不同,4D打印更为智能,物料可自行“创造”,简化了打印过程,但对打印材料有了更高要求。
想进一步普及
得有更多“催化剂”
虽然4D打印有着巨大的应用前景,但以目前的技术实现起来仍然面临不少困难。
这是因为,首先,4D打印所需要的并非一般的普通材料,而是带有记忆功能的智能材料,是一种能感知外部刺激,并能够通过判断而进行自我变形、组装的新型功能材料。按定制图纸把多种具备不同动态机械特性的智能记忆材料打印成3D物体,就可以制造出一种按照预定顺序改变形状的物体了。当这些部件受到外部刺激,会以不同的速率改变形状,具体取决于它自己的内部时钟。精确地设计这些材料改变形状的时间顺序,就能让三维物体自行组装。
在这个过程中,另外一个关键要素就是软件的设计,也就是通过程序软件,将变形要素直接设计在打印材料中。直观地理解,就是3D是设计产品,4D是将打印机设计在模型中。所以,设计软件对于4D打印至关重要,也是目前需要重点突破的一个关键环节。
除了智能材料本身,“催化剂”也是个问题。在蒂比茨团队的实验以及之后一些4D打印技术研发项目中,所有触发变形材料变形的“催化剂”,都是水。
水作为“催化剂”虽然很常见,成本也很低,但4D打印技术要想进一步普及,就必须开发出更多的“催化剂”,比如声、光、电、热、震动,这样4D打印的适用范围才能足够大。这就需要开发出种类更丰富的智能材料,不仅能响应水的刺激,也能够响应其他的外部刺激。还有,4D打印的成品如何再回到打印前的形状,如一个4D打印桌子,如何让它再回到平面状态,便于携带,目前似乎还无解。
此外,时间也是4D打印的一大敌人,蒂比茨演示的让小棍变成“MIT”的实验,花费了近1个小时,以此计算,打印一栋大楼,需要多少小时?另外,变化过程也非常缓慢,如何加速这个变化过程也是个问题。
如同3D打印的应用一样,4D打印也存在着“双刃剑”的问题。比如,4D打印可以轻而易举地打印出枪支器械、毒品、药品等诸多原本难以想象的物品；甚至DIY的药物生产,还将打破制作药物和化合物相对统一和一致的配方,它容许人们设计和生产自己的药物和强力化学品。这无疑将成为监管部门的噩梦。
穿的住的都可能
被4D打印改变
尽管4D打印技术出现的时间还非常短,也面临上述困难,但这并不影响它的发展。美国马萨诸塞州科技设计公司“Nervous System”已经研发出一种利用4D打印技术制造的弹性贴身布料,并打印出了全球第一件“4D裙”。
这款裙子还可以根据穿戴者的体型情况进行自我改变。而制作该裙子的布料纤维由2279个三角形和3316个连接点相扣而成,三角形与连接点之间的拉力,可随人体形态变化,即使变胖或变瘦,4D裙也不会不合身。同时,研发人员还用4D打印技术打印出了一系列与这条裙子搭配的珠宝首饰,而这些首饰毫无疑问也是可以根据人体结构而自动变形的。
不仅是身上穿的衣服,我们住的房子也可能被4D打印改变。当我们采用4D打印技术建造房子时,所构建的房屋物理空间将会被改变。
今天我们所居住的空间在高房价的影响下,似乎空间成为了影响生活质量的问题。就以客厅而言,实际使用时间与利用率并不高,卧室也是如此。通常来说,使用卧室的时候,客厅将处于闲置；而使用客厅的时候,卧室基本处于闲置。因此这组矛盾自然就出现了,一方面使用空间似乎不足；另外一方面使用效率不足。
如果采用4D打印之后,这种情况将能获得有效解决,当我们处于客厅环境的时候,房子的空间格局将会自动变化,将卧室的空间融入到客厅中,为客厅提供更多的空间；当我们需要进入休息状态时,空间格局也将同样自动变化,将客厅的空间融入到卧室中,提供较为舒适的休息空间。
此外,通过4D打印技术打印的建筑空间并不需要装修,用户所希望的装修元素在打印初期被完全融合进去,并通过打印技术直接成型。购房者只需要在打印初期,在建筑的模型设计中赋予其变化的想法,室内装饰环境或布局或风格就能自动变化完成。在4D打印的建筑中,我们住的或许已经不再是一座建筑,而是一座“魔方”。
