互动科普

4D打印：让世界可编程

新材料、3D打印机，再加上全新的设计理念，这些或许可以让我们打造出一个可以随意变形的全新世界。

撰文 托马斯 · A · 坎贝尔（Thomas A. Campbell） 斯凯拉 · 蒂比茨（Skylar Tibbits） 班宁 · 加勒特（Banning Garrett） 翻译 王栋

一种可行的替代方案是，采用可根据指令或压强而改变形状，或能在破裂时自行修补的管道。现在，随着计算机辅助设计 （CAD）和材料等领域不断进步，开发出这样的管道已经不再是幻想。这些进展，以及由此带来的全新设计，将会为我们带来一个遍布着可编程物体（具备自组装能力，可根据指令改变外形或性质的实物）的新世界。

现在，科学家已经着手开发自组装设备了，只不过它们还非常微小——仅有纳米级，可以用作生化传感器、电子设备，或是给药载体。我们感兴趣的是，当可编程物体的大小达到人体尺度时，又会是怎样一番情形呢？要实现这一目标，主要有两种方法：一是制造出独立的、能自动结合或分离的基础构建模块，用来组成更大的可编程结构；而另一个方向是，建造具有单一完整结构的变形物体，即在物体的恰当位置嵌入铰链、应力点或电子设备，让它们在需要的情况下改变形状。我们称第二种方法为4D打印。同3D打印一样，4D打印也是通过逐层下料来构建物体。区别是，通过4D打印，可以制造出能在一定条件下改变外形或性质的物体。

使用可编程物体，可以节省原料、能源和劳动力——想象一下，椅子能够自己变成桌子，还有那些柔软的、能自我修复的输水管道。这样，就可以在不需要人工参与的情况下，建造出结构复杂的机器。在外层空间等恶劣环境中，这类系统尤其具有价值。例如，可以将一个小型压缩包发射到太空中，进入预定轨道后，就能自动变形为一颗具有特定功能的人造卫星。其他用于外层空间的设备也可以设计成多种用途，比方说太阳能面板阵列，在需要时能够变形成为抛物面天线或储物舱。

不过，可变形物体同样会带来前所未有的风险。想象一下一个能被黑客劫持的世界：黑客们可以蓄意破坏变体飞机的机翼；也能够命令建筑在内部还有人的情况下自动拆解。此外，因为产品可以从一种形态变成另一种，知识产权的相关问题也会变得更加错综复杂，由此引发的专利问题可能是管理部门想都没想过的。这些风险的存在，使得我们必须仔细评估这种革命性技术，以便从一开始就建立相应的解决方案、控制措施以及管理政策。

微型机器人

从上世纪90年代初开始，虽然人数不多，但已经有一些富于想象力的科学家在讨论可编程物体了。不过直到2007年，该领域的研究才获得了快速的发展。当时，美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助了一项“可编程物体”的研究。DARPA提出的是一项历时数年的研发计划，目标是设计和建造微尺度级别的机器人，能够组合或变形为更大型的军用系统，如实体展示器或专用天线。研究人员将机器人缩小到毫米级尺度，差不多相当于一根铅笔的粗细。在几年时间内，他们已经成功地展示了体积微小的变形机器人。

蒂比茨（本文作者之一）一直在探索，如何使用4D打印来建造不需要传统机器人结构（马达、电线和电子设备）的机器。在麻省理工学院自组装实验室（Self-Assembly Lab）里，他和同事研制出了大量成果，其中就包括一种利用特殊聚合物制成的蛇形物，能在注水后折叠出字母“MIT”（麻省理工学院的英文缩写）的形状，这种单链聚合物还能自动从“MIT”自动变成“SAL”（自组装实验室的英文缩写）的形状；还有一种平面结构，可以自行折叠成截角八面体；以及一种平圆盘，在接触水时会变成弯曲的折叠结构。

在打印特殊柔性结构的过程中，美国弗吉尼亚理工大学的克里斯托弗·B·威廉姆斯（Christopher B. Williams）为其植入了合金钢丝和印刷电路。打印完成后，通过外界信号就能触发柔性结构，改变物体形状。这种方法在机器人、家具组装和建筑等领域中都具有很好的应用前景。

威廉姆斯与坎贝尔（本文的另一位作者）合作，又向前迈进了一步——他们将4D打印同纳米材料结合在一起。在打印出的物体中嵌入纳米材料，就可以制造出能在电磁波（可见光和紫外光）的作用下改变属性的多功能纳米复合材料。例如，利用会在不同光照条件下改变颜色的嵌入式纳米材料，该研究小组打印出了“Virginia Tech”（弗吉尼亚理工大学）的标志。进一步发展和完善后，在这类新材料的基础上，可以开发出全新的传感器，能够植入医疗设备，用于测量血压、胰岛素水平和其他医学指标的极限数值。

计算上的难题

今天，用3D打印做出静态的“MIT”或者“Virginia Tech”的标志都不算什么难事，只需将你想要的物品的相关信息输入3D打印机就行了。然而，要打印出能改变形状的物品，还需要设计可通过程序来控制的特性，如应力点和可弯点，或将纳米材料嵌入物品。然而，这样的工程设计又带来了计算方面的棘手难题，因为它们已经超出了当前CAD的能力。

例如，想打印出一种能从桌子变成椅子的物品。虽然从拓扑学上来说，桌子变成椅子有很多种途径，然而在现实中，其中大多途径都无法实现。因为在变形过程中，物品往往会被自身结构阻挡，甚至缠绕在一起。要寻找最佳的解决方案，就必须解决复杂的仿真问题。研究人员已经开发出了一个“物理机制库”，并将其作为设计所有物体的基础，包括折叠、拉伸、扭转、收缩等形变机制。物体的形变依赖于基础模块的协同工作。我们能以线性模式设计物体，例如折叠或拉伸；或者根据逻辑顺序对它们进行编程——遇到特定情况，就执行相应的动作。

很快，这些组合就会变得极其复杂，以至于预测它们的行为将非常困难。所以，要将可编程物品变为现实，第一步就是要开发出全新的设计软件。设计人员需要使用计算机来模拟4D打印出的物体如何变形，并将他们的设计转化为打印机能够理解的指令。他们还需要相应的软件，来避免那些难以预见的问题，例如避免物体在变形时自己缠绕在一起。作为迈向这个目标的第一步，蒂比茨的研究小组同欧特克公司（Autodesk，美国著名设计软件企业）合作，开发出了“赛博格”（Project Cyborg）软件，能够模拟和优化4D打印物品的动力学性能。利用赛博格软件进行设计，并结合Stratasys公司制造的可使用多种材料的3D打印机，以及同样由该公司研发的一种浸入水中后尺寸能延展150%的聚合物，蒂比茨的研究小组制造出了可以自动折叠的MIT标志，以及其他的一些4D打印的物品。

到目前为止，研究人员设计出的物品大多相当简单，所使用的接合点和材料都只有一两种而已。不过，用于制造更复杂设备的材料已经具备，而且随着材料种类的不断扩展，能限制我们的就只剩下我们的计算能力和想象力了，当然还有物理学定律。

军事上的应用

在可编程物体研究中，有一个常用的概念——“体素”（voxel），即“体积元素”的简称。在计算过程中，体素就相当于三维空间中的像素。在可编程物体中，体素是构建复杂设备的最基本单位。体素通常是由硅、陶瓷、塑料或钛等材料制成的不同大小的合成颗粒。根据需要，它们可以被打造成用途广泛的子系统，如储能器件、致动器、传感器、导体、绝缘体、保护外壳、天线、甚至微型计算机。体素被组装到一起后，可以作为整体进行编程，改变形状或功能，或者变成完全不同的物品。

在最近出版的新书《制造：3D打印的新世界》（Fabricated: The New World of 3D Pringting）中，霍德·利普森（Hod Lipson）和梅尔巴·库曼（Melba Kurman）利用体素的概念，将可编程物体同生命体进行了类比。毕竟，生命体中的许多蛋白质也只是由22个基础模块——氨基酸构成的。“如果区区20多种基础模块就能作为所有生命的基础，那么少量基本体素类型，也同样可以带来大量的可能性，”利普森和库曼在书中写道。可用的基础模块包括硬体素和软体素，比如布线用的导电体素，以及由电阻、电容、电感和晶体管体素组成的电路，“再加上致动器和传感器体素，”他们写道，“一部机器人就完成了。”

美国军方对这种机器人很感兴趣。美国陆军和海军已经开始了相关研究，希望能在战场或军舰上使用3D打印技术制造零件，以免除成千上万个零部件因运输和储存带来的巨大消耗，节约大量的时间、空间和费用。可编程物体的优势还不止这些，想象一下，在潜艇上备上一箱体素，会有多么方便：如果潜艇的某个零部件损坏了，或者需要某种特殊工具，只需使用相应的体素，并对其进行编程，把它们制成所需的零部件或工具就可以了。工具用完后，还可以让它重新分解回体素，以备后用。

除零部件和工具外，可编程物体还可以用于制造能根据外界环境及人体体征来调节温度的新型作战服。2014年，美国陆军投入了近100万美元，资助一项使用4D打印制造动态伪装的研究。将目光放得更远一些，再加上一些想象力，就可以预见，能通过形变来绕过或通过障碍物的机器人终将成为现实，正如电影《终结者2》里的T-1000型机器人一样。

此外，不管是军用还是民用，可编程物体还可以在大型建筑领域一显身手。想象一下可能出现的自组装建筑——不再需要砖头或浇灌混凝土，只需将相当于建筑体积的程控物质一股脑倒入地基，然后命令它们“生长”或“稳定”成最终的结构，同时其中的水电线路也一应俱全。虽然对于普通的民居来说，似乎不必弄得如此复杂，但若在交战区域或火星表面之类的恶劣环境下，这样的自组装房屋就变得非常有吸引力了。

面向未来

在这里列举的仅是可编程物质的几种典型应用，研究人员可采取的方案远不止于此。除此之外，还有能根据气压或温度变化自动调整形状的飞机机翼；能随路面和天气状况改变抓地面积的轮胎；自修补材料不仅可以保护飞机，也可以让桥梁在交通流量突增或地震等突发情况下确保安全；当然，还有自组装家具，几乎人人都希望能在宜家（Ikea）买到这样的东西——看起来只是一块平板，却能根据命令自动折叠出不同的家具。

这些概念听起来似乎很玄，但它们的确基于真实的工程学和科学研究。不过，面临的困难也依然艰巨。除了计算带来的挑战之外，可编程物体也超越了当今材料科学和制造业的极限。为了制作那些自折叠的“MIT”以及具有光敏特性的“Virginia Tech”标志，科学家采用的是全新的聚合物。那么要想建造自组装房屋，或者可变形飞机机翼，又需要使用哪些新材料呢？即使成功地开发出了基础模块，我们仍会面对如何将它们组装成大尺度复杂物品的挑战。此外，还有诸多问题等待我们去解决，比如如何将体素糅合在一起？应该怎样对它们编程？它们又利用什么形式的能量来进行自组装呢？

即便上述这些都能得到完美解决，我们仍将面临先前提到过的那些挑战，包括被黑客劫持的风险和棘手的知识产权问题。不过，我们应该很快就有机会解决这些难题。在过去的一年半里，蒂比茨已经与数家公司展开了合作，研发变形材料、产品和构造体系。坎贝尔和威廉姆斯也在和一家公司商谈，目标是将4D打印和纳米材料用于防伪系统。看起来，自组装房屋离我们或许并没有想象中的那么远。

本文译者 王栋毕业于中国科学技术大学近代物理系，现于美国弗吉尼亚理工大学物理系攻读博士学位。