2013年12月25日 星期三

4D列印漸行漸近

http://news.sina.com.tw/article/20131225/11436169.html

 北京新浪網 您可輕輕閉上雙眼試想一下,從傢具賣場買回的沙發,可以根據您和家人的體型變換不同的尺寸;在咖啡吧使用的咖啡杯,可以根據咖啡的溫度調整形狀;從汽車4S店購買的汽車塗料,可通過改變自身結構適應潮濕的環境或撒過鹽的道路……

   俗話說得好,“你永遠跟不上科技的腳步”。在我們剛開始接觸3D列印併為之驚嘆的時候,科學狂人們已經開始思考讓4D列印改變世界。那麼,究竟什麼是“4D列印”?關鍵技術是什麼?目前在中國發展4D列印還有哪些短板?它的應用前景怎樣?下麵就讓我們訪企業,問專家,一探究竟。

   4D列印“炫”在哪兒

   在美國洛杉磯今年初春舉行的“技術、娛樂、設計”(TED)大會上,麻省理工學院的研究人員首次展示了新一代列印技術——4D列印,頓時“點亮”了眾人的目光。

   大會上,建築師和電腦科學家斯凱勒·蒂比茨解釋說:“我們提出將4D列印的第四維度定為時間,也就是說使得3D列印出的物體能夠隨著時間自動變化和調適。剛性材料形成一個架構,其他層則是彎曲和扭轉該架構的力量來源。”

   4D列印與3D列印緊密相關。3D列印,就是CAD(電腦輔助設計)模型直接驅動的、可以完成任意複雜結構的製造方法的總稱。它的核心是數字化、智能化製造與材料科學的結合,主要特點是數字驅動製造和增材製造。“這就像蓋房子,一層層往上壘磚砌牆,只不過用的不是方磚水泥,而是工程塑料、粉末、尼龍、光敏樹脂甚至是金屬、陶瓷等不同的材料。”中國3D列印技術產業聯盟首席顧問、清華大學教授顏永年如是說。

   蒂比茨進一步說明,與3D列印相比,4D列印如同增加了連線和發動機的機器人。所謂4D列印技術,就是在3D列印的基礎上增加一個“時間”的緯度。所有物體都因時間而存在,物體形狀改變也需要時間。

   具體而言,4D列印的邏輯,是通過3D列印已嵌入產品設計的可變形智能記憶性材料,在特定時間或物質激活條件下,無需人為干預,無需通電,便可按照事先的設計進行自我組裝。由此可見,4D列印比3D列印多的一個“D”表現在“時間”緯度上,這種革命性新技術可以通過軟體設定模型和時間,變形材料會在設定時間內快速“自動組裝”。

   相對於3D列印明晰的內涵和外延,也有專家認為應該審慎對待4D列印的概念。“3D列印的科學術語是‘增材製造’,與傳統的方法有本質的區別。不過,‘4D’並沒有一個完整的科學的定義。”北京隆源自動成型系統有限公司總經理馮濤告訴記者,“增材製造”,是與傳統製造業的“減材製造”對應的,這種技術依據物體的三維模型數據,通過成型設備以材料累加的方式,製成實物模型。他向記者坦言,“所謂4D,就是加了一個時間軸,採用形狀記憶材料等這類材料作為3D列印的材料,就可稱為4D列印。所以,把4D列印作為一個技術分類,我認為是不准確的”。

   關鍵是特殊列印材料

   沒有爭議的是,專家們認為,4D列印更為智能,製作材料可自行“創造”,簡化了列印過程,但這既對列印材料提出了更高要求,又是其得以實現的關鍵。

   就在幾個月前,麻省理工學院的研究人員曾展示一種“自主記憶”的材料。據瞭解,它由普通塑料和一種活性化學物質構成,當這種智能材料接觸到一種其他物質,比如水時,它的延展性便會發生變化。在視頻中,研究人員設計出了一個立方體,他們通過複雜的演算法和設計,將“自主記憶”材料與其他材料混合,用3D印表機列印出一根管子,再將其放入熱水中,它就會按設計自動彎曲成一個立方體。

   隨著4D列印技術漸次傳入我國,金屬材料領域的人士指出,4D列印最關鍵的是記憶合金這種材料。

   中科院化學研究所研究員、新材料實驗室主任宋延林告訴記者,所謂形狀記憶合金,是一種在加熱升溫後能完全消除其在較低的溫度下發生的變形,恢復其變形前原始形狀的合金材料。宋延林指出,形狀記憶合金是在特定外部條件下回歸原來的形狀,此前,物體已經被設定完成。

   “實現4D列印的關鍵在於運用帶有‘記憶功能’的材料,”深圳光華偉業實業有限公司董事長楊義滸告訴記者,“目前我們正與合作伙伴共同開髮帶有記憶功能的生物心臟支架。”在楊義滸看來,傳統的心臟支架通常由記憶金屬製成,在通過血管被置入設定的位置後,自動撐開承擔擴張血管通道的使命。他坦言,金屬支架的問題在於無法降解。換句話說,除非人為將支架取出,它將永遠留在體內,由此帶來的併發症和因長久停留對人體造成的不利影響可以想像。

   “生物心臟支架的最大優勢,在於生物材料的生物相容性、可降解性和材料自身的記憶功能,而我們要做的是對材料精確控制,使之在一定的外部條件(比如溫度、壓力)下,恢復預設的形態。”楊義滸進一步解釋,以醫學生物心臟支架為例,當支架在身體外部時,它可能看起來是一個實心細條,而進入身體後在體溫的刺激下,就變成了可以撐開的空心支架。一段時間以後,當塗抹了藥物的支架完成擴張和疏通血管的使命後,便在血液中自動降解。“我們還可以通過不同種類生物材料的復合,來控制生物介入物的降解速度,”楊義滸認為,“它們是很好的臨時性人體植入材料。”

   發展4D列印短板在哪

   也有專家認為4D列印材料還應該超出“記憶功能”材料的範疇。在蒂比茨看來,4D列印技術離不開合適的“智能材料”。這種“智能材料”應該是一種能感知外部刺激,能夠判斷併進行適當處理的新型功能材料,具有感測功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自我診斷能力、自我修複能力和超強適應能力。“目前4D列印技術使用的材料只能感應水的刺激,但希望將來能找到可以感受光、聲、熱甚至時間的新型智能材料。”

   3D技術方興未艾,4D技術漸行漸近。不過,這項技術即便在大洋彼岸的美國也僅僅處於“實驗室”階段。記者採訪的多位專家和企業負責人均表示,目前在中國發展4D列印,還存在諸多短板和需要加強的環節。

   在馮濤看來,目前4D列印技術有兩個短板,一是印表機的規模太小。“如果想列印大型工程用件,必須使用大型材料,要有高精度且可靠性較高的印表機,但目前來看,這種印表機的造價太高。”另一個就是人才儲備的瓶頸。馮濤向記者坦言:“中國目前從事3D技術的主要研究人員還不到100人,具備4D列印技能的人員,就更少了。”

   顏永年坦言,加工工藝、材料設計、裝備製造等技術水平都是制約4D列印技術發展的主要障礙。“尤其是這種‘智能材料’產量並不大,價格也非常高,制約了4D列印向‘規模化’發展。”顏永年感慨。

   宋延林告訴記者,4D列印的市場需求,目前並沒有那麼大,這是制約其發展的又一短板。不過,宋延林認為:“4D列印技術尚無法取代傳統製造技術,但是在小批量、個性化的生產模式上具有獨特的優勢。”

   潛在應用與未來前景

   隨著科技水平的迅猛發展,也許要不了多久,利用4D列印技術,科幻電影中的場景就會逼真地發生在我們身邊:一根拐杖在下雨的時候就變成了雨傘;汽車也可能真的像變形金剛那樣變成飛船……

   談到4D列印的潛在應用,蒂比茨透露,麻省理工學院自組裝實驗室正在與波士頓一家公司開展合作,開發創新基礎設施管路製造方案。他說:“這種新型地下水管,可以自由地膨脹或收縮,以此來控制過水的流量和流速,或者還可以像蛇那樣通過自身的蠕動來擠壓,推動內部的水體流動。水管能夠適應不同的容量或水流而自動進行擴張,免去挖掘的麻煩。而具有這種不可思議功能的管路並不昂貴,也不需要那些複雜的閥門控制系統,這就是該管路本身所具備的性質。”

   有人甚至預測,4D列印技術將使得房屋建築真的可以自動“長”出屋頂、承重牆。傳統建築過程一般是先設計出圖紙和模型,再按設計施工建造,甚至還要一邊搭建一邊調整模擬的設計效果。不過,在4D列印的時代,產品將變得更加智能化和人性化,危險地區的工程將不再需要人的參與,橋梁、水壩、公路、房屋……一切都將按照設計自行建造。人們只需坐在電腦旁,根據自己的想法和需要,設計出適合自己的產品,然後輕點一下“列印”便大功告成。

   宋延林認為,房屋建築自動“長”出屋頂、承重牆以及下水管道按流量自動伸縮都可以“實現”。事實上,4D列印的核心材料“形狀記憶合金”早已應用於工業和醫學領域。比如,用形狀記憶合金製作月面天線;作為牙科的齒形矯正器,溫度上的調劑使其自動變成正常形狀,以便將畸形牙齒矯正。宋延林表示,一些人對“4D”概念的認識有一定的偏差,“4D列印的效果並不是由‘時間’決定的,它的‘特殊功能’是由外部環境條件的變化而變化的”。

   “4D列印賦予物品自我變形的性能,可以實現讓物體在人們難以接觸到的地方實現特定結構和功能。但目前已經報導的4D列印技術,第四維度的特性是通過外場響應的智能材料實現的,還難於實現較為複雜的結構與物品的製備。”宋延林告訴記者,在未來較長的一段時間內,4D列印可能主要還停留在試驗研究階段,真正的應用有待相關材料、特別是納米材料的突破和規模應用。

   顏永年在接受本報記者採訪時表示,4D列印技術仍停留在實驗室等研發階段,目前尚不具備大規模應用的可能,“4D列印概念依然很飄渺”。不過,他對4D列印技術在我國尖端導彈武器以及月球車等軍事、航天領域的發展前景頗為樂觀。“這種可以‘自動組裝和變化’的4D列印技術,可以更好地避免敵方的偵查。”

   “炫”味兒十足的4D列印聽起來讓人們覺得不可思議。事實上,3D印表機從構想到廣泛應用於生產、生活,只用了20年時間。在科技高速發展的今天,可以想像,4D列印走進人們的生活,應該就在不遠的將來。



沒有留言:

張貼留言