4D打印顛覆未來生活方式！

2021-10-27

想像一下，從刨花板書架到公寓樓，我們每天使用的機器和結構都可以組裝起來。不再有宜家六角扳手，沒有起重機，只有 3D 打印材料“知道”如何折疊、捲曲和硬化，就像延時視頻中的植物一樣。

我們可以打印四維物體嗎？

從技術上講，一切都是四維的——按照物理學家的說法，實際上是十維或更高的——但我們主要考慮的是現實世界的長寬高。第四維度，時間，我們視之為敵人，我們將盡最大努力抵抗它的影響。

因此，我們建造盡可能堅固的牆壁和管道，並隨著年齡的增長繼續修復它們，因為建造需要時間、金錢和精力，我們不想一遍又一遍地做。但如果時間不是敵人呢？假設一個結構可以像摺紙一樣展開。想像一下，它的壁是否會因載荷變化而彎曲或變硬，或者埋地管道是否可以改變形狀以適應不斷變化的水流。或者通過消化系統等蠕動泵送水。使用 4D 打印，除非您願意，否則任何東西都不會落在石頭上。

如果研究人員和製造商可以使用它，4D 打印可以改變我們的整個製造理念。公司可以打印掩體、機器和工具，將它們平整包裝，然後將它們運送到需要它們的地方（可能在災區），或者為太空或海底等惡劣環境做好準備。在那裡，對人類有害的環境條件實際上可能會促使物體的形狀和特徵發生變化——不僅一次，而且反复。

核心是最普通的自然過程背後的基本物理、化學和幾何學。考慮一下風暴來臨時頭髮的形狀是如何變化的。這是一個簡單的空氣傳播問題，會導致角蛋白形成非常高比例的氫鍵，從而導致它們向後折疊而不是拉伸。

二維設備不需要人類來構建它們，也不需要需要微芯片、伺服系統和電樞才能工作的機器人。

由 3D 打印面板製成的 Chromat Adrenaline 連衣裙使用英特爾的 Curie 模塊。是什麼讓它成為 4-D？

4D打印的核心是3D打印和自組裝在另一個前沿領域的結果。

自組裝正是它聽起來的樣子：將零件自發地排列成一個更大的功能整體。這個領域在納米技術領域非常受歡迎，有兩個很好的原因。首先，自組裝已經發生在納米級，並提供了從蛋白質折疊到晶體形成過程背後的驅動力。

然而，如果我們能按人的比例增加自組裝的規模，就可以使我們現有的產品更便宜、更簡單，或者創造出其他方式無法實現的新技術。這是一項艱苦的工作，而且常常令人沮喪。即使在理想情況下，它也需要打破裝配順序，開發可編程部件並提供可以使您的設備運行的能源。建立一些錯誤更正並不是一個壞主意。但是，基本上，您需要正確的工具和材料來完成這項工作。

進入 3D 打印。儘管新方法不斷湧現，但傳統上，3D 打印需要在打印床上重複鋪設定義明確的聚合物層。隨著每個新層變硬並與下面的層合併，就會出現一個 3D 形狀。早期型號一次只能打印一種材料，但較新的 4D 打印機可以使用更廣泛的打印介質，並且一次可以打印多種材料。對於 XNUMXD 打印來說，這是一個重要的突破，因為不同的材料允許開發人員在會變硬、彎曲或膨脹或“希望”以某種方式折疊的區域中進行構建。它們可以有像海綿一樣吸水的區域，或者在光照下會產生電的區域。

這就是麻省理工學院自組裝實驗室所說的可編程物質。這是一種科學、工程和材料方法，專注於可以編碼以重塑自身或改變其功能的物質。可編程材料的一種應用是 4D 打印。

可變市場

市場研究公司 Marketsandmarkets 在 2015 年的一份報告中預測，到 2025 年，4D 打印將構成一個每年價值 555.6 億美元的行業。報告假設4D技術將在短期內實現商業化，但初期進展不大（這種轉換帶來了巨大的商機）。該報告特別提到了航空、國防和軍事部門，但它認為汽車、紡織、醫療保健、建築和公用事業等行業也是潛在的早期採用者。

可編程事物：幾何就是命運

麻省理工學院自組裝實驗室主任 Skylar Tibbits 和他的團隊一直在引領這項創新。

麻省理工學院的研究人員並不是唯一從事 4D 打印的研究人員，但學校的自組裝實驗室是第一個引起關注的實驗室，這在很大程度上要歸功於其首席架構師 Skylar Tibbits 的 TED 演講。

實驗室的研究人員首先通過製造簡單的大型自建機器人進入了自組裝的世界。當他們發現人工和支出不可行時，他們轉向具有內置邏輯的形狀和材料。

2010 年，他們創建了 Logic Matter，這是一組可以僅使用幾何形狀來解決計算問題的互鎖形狀。

畢竟，計算機使用結合了 1 和 0 的電子門來操作。這些門使用布爾代數，布爾代數會提出諸如“兩個輸入都是1？”之類的問題。或者“輸入1？” Tibbits Lab 也提出了同樣的問題，只是使用複雜的多面體而不是通常代表 1 和 0 的電開/關狀態。輸入涉及將形狀單擊到位。這將創建一個新配置，允許下一個形狀（輸出）僅在向上（真）或向下（假）方向連接以提供答案。

邏輯問題還沒有上升到自組裝的水平——需要人手將這些碎片拼湊在一起——但確實可以通過演示問題來構建它。在接下來的幾年裡，自組裝實驗室的研究人員越來越多地轉向與其名稱一致的物品：如果在容器中滾動或搖動就會連接在一起的幾何形狀，以及搖動時具有特定形狀的鏈。還有很多。

這標誌著下一個重要步驟：將內置幾何趨勢與輸入能量（或其他環境因素）相結合，使其發揮作用。

但這種幾何趨勢是什麼？

如果您曾經嘗試過用紙板（或木頭或金屬）製作東西，那麼您就會知道，如果您先將其打分，折疊起來會更容易。因此，評分是一種編程，一種使材料更有可能按照您想要的方式表現的方法。現在，想像一下替代紙板的材料，其中一些可以吸收水分並生長，而另一些則保持剛性。把它扔進水里，觀察它的形狀變化。通過折疊和得分變得足夠聰明，在你意識到之前，你會發現一些真正特別的東西。

但首先，您需要對所使用的材料以及機器如何放置材料進行大量精確控制。這種方法在較小的規模上效果更好。在較小的範圍內，能源投入和物質差異會產生更大的影響。多材料 3D 打印有助於為研究人員提供所需的控制，但他們也需要合適的材料。

自折疊摺紙

哈佛大學的一個團隊創造了一種蘭花，放入水中後會成形。

當 Tibbits 向位於明尼蘇達州的 3D 打印公司 Stratasys 的人提到他的想法時，他們向他展示了一種材料，浸入水中時可以生長 150%。水為操縱 4D 對象提供了一種很有前途的方法，因為大自然提供了許多隨著水分變化而改變形狀的對象的工作模型。我們稱它們為植物。

植物表現出向心性，並根據環境因素以某種方式生長，例如陽光（向光性）、水（向水性）、重力、化學物質（趨化性）甚至物理接觸（觸變性）。例如，植物傾向於向陽光彎曲，因為陽光會殺死稱為生長素的激素，從而促進生長。因此，植物背對太陽的一側比面向太陽的一側長得更快，導致植物向光彎曲。稍加想像，很容易看出我們是如何類似地彎曲連接材料、環境和能源的物理原理來競標的。

鑑於植物為4D打印研究人員提供的靈感，哈佛團隊在2016年通過製造4D打印的“蘭花”（放置在水中時具有同名形狀）製作“蘭花”也就不足為奇了。花朵用水凝膠複合材料印刷，然後像紙袋一樣通過管道一層一層地運送到印刷台上。

印刷過程的兩個方面解釋了花朵的行為。首先是使用水凝膠，它可以吸收大量的水分。第二個事實是，複合材料還含有纖維素原纖維——對植物結構至關重要的纖細而堅固的纖維。由於纖維素總是沿已知方向流動，因此研究團隊可以仔細地對其進行圖案化，以控制花朵的哪些部分會膨脹，哪些部分在遇水後會保持剛性 [來源：McAlpine]。

毫無疑問，隨著時間的推移，我們將看到更多使用各種其他材料的實驗，例如用於柔性和動態電路的導體。然而，我們也可能會看到，“4-D 打印”這個詞就像大多數流行語一樣有自己的生命力，並擴展到涵蓋更廣泛的主題。例如，一家名為 Nervous System 的公司將其用於 3D 打印服裝（即由尼龍花瓣通過關節巧妙連接製成的衣服）的新技術描述為“4D 打印”

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