72變的4D列印

當你還在琢磨3D列印技術時,4D列印技術就已經出現了,它可以使一張紙自動折成“小兔”形狀,還能讓一塊板在月球上膨脹成一棟建築!

4D打印出“變形金剛”

想象一下,你和爸爸媽媽去超市買了一個木椅套裝,拿回家一看說明書,“給它灑一點水,它會自動組裝成一把完好的椅子”,你試著操作了一下,沒想到它真的自動變成了一把椅子!不止傢俱,你網購的衣服只有一個尺碼,但穿到你或媽媽身上居然都合身!在火星上,由火箭運送來的“壓縮版”航天器,在受到陽光刺激後自動展開、組裝了!這些神奇的場景,都將來自於4D列印技術。

我們知道,3D比2D多了一個立體維度,那4D比3D多了什麼?變化。4D列印的物體在環境條件(例如溫度、光線或溼度)改變時,不需要外力幫助,就會自動變形,組裝成一種全新的形態。

為什麼能變形?

4D列印的物體能變形,和它使用的特殊的“墨”有關。這種“墨”被稱為“智慧材料”,能感知外部環境的刺激,比如溫度上升、壓力增大、光線變強等,然後發生相應的變化。目前使用的智慧材料主要有3種,分別是液晶彈性體、形狀記憶聚合物和水凝膠。

液晶彈性體

這是一種含有液晶的彈性物質。液晶有一種性質叫“各向異性”,即物體在各個方向上的性質不一樣,比如在一個晶體上滴一滴油,油向四周擴散,但各個方向的擴散速度不一樣。而液晶彈性體同理,可以透過改變溫度、光照等,控制不同方向上的形變,設計出想要的形狀。上圖是一朵採用液晶彈性體列印的蘭花,當它進入水中,會慢慢地捲曲花瓣,形成一種新的花型!

往材料里加點“程式碼”

雖然這些材料擁有“變形術”,但如何使它們變成我們想要的形狀呢?那就是對材料進行程式設計,將特定的程式碼植入其中,讓材料跟著指令走。首先要了解,它們在受熱、光照等刺激下的變形程度,比如每升高一攝氏度,材料會彎曲多少度;然後根據需求在4D印表機中建立模型,勾畫不同的材料線條;再將這些線條進行彎折、鋪排,最後形成一個能精準變形的成品。這些被植入程式碼的成品,都嚴格地遵照指令行動。比如下圖這隻橙色膠狀的小爪,本來是張開的,被加熱到適宜溫度後,竟能握爪將螺絲釘抓起!

自然界早有“4D列印”

在自然界,伴隨著陽光、雨露的滋養,樹上的卷鬚伸展,花朵也綻放開來; 當陽光照向一側時,植物給背光的一側發出“指令”,使背光側長得比向光側更快,植物就朝著光的方向生長。自然界的植物會根據環境的刺激改變自己的形狀,這正是4D列印的靈感來源。只要認真觀察和思考,大自然就會為現代科技帶來驚喜,這也啟示我們:大自然是人類的老師。

形狀記憶聚合物

這種材料能記憶自己的初始形狀,如果形態被改變,只要有溫度、電、光線等條件的刺激,它就能恢復到原來的樣子。星際探測器如果採用這種材料,就可以先被摺疊成一個體積很小的物體,到達星球后再展開。

水凝膠

水凝膠可以在水中吸收大量水分,迅速膨脹,也能釋放水分。能改變它“腰圍”的就是外界溫度、光照等條件的刺激。利用它,人們能打造出根據溼度大小膨脹或收縮的物體。

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