揭秘4D打印：自動組裝靈感來自生物自我復制

　　隨著科技的發展，3D打印讓人們可以輕松完成對于想象中物體的制作。比如說，你可以利用3D打印機“打”出一個飛機模型。但你聽說過4D打印嗎？和3D相比，這種更高級的技術除了有“長寬高”這些立體的三維結構，還增加了一個所謂的“時間線”。一旦它進入現實生活，很多科幻電影里才有的場面就會出現在你的面前。

　　如果椅子能夠自我變形

　　思凱勒·蒂比茨是麻省理工自動化實驗室的創始人，今年2月他在加利福尼亞長灘島舉行的TED會議上公布了他們所研發的4D打印技術。消息一出，整個業界為之沸騰，連帶著相關高科技材料的股票也出現暴漲。

　　什么是4D打印？聽起來它只是比3D打印多了一個數字，但實際上卻是完全不同的概念。“3D打印要預先建模、掃描，然后用相應的材料按照之前的計劃完全復制。”蒂比茨說，“4D打印則是直接將想要的性狀輸入材料當中，然后物體會‘自動’出現，不需要任何復雜的機電設備。”

　　這聽起來很玄妙，事實上做起來也是如此。非物理學、材料學以及計算機學專業的人會暈頭轉向，但如果換一種方式解釋呢？工程軟件開發商“歐特克”（Autodesk）一直以來都在研究4D打印技術，他們的首席研究科學家卡羅·奧古因打了個比方：“想象一下你從宜家買回來一張椅子，將它放在房間，然后它會自動組裝，這就是4D打印。”

　　靈感來自生物自我復制

　　麻省理工的自動化實驗室一直都對生物的自我復制感興趣，蒂比茨更是如此。早在2011年參加TED會議時，他就談到了自己對于未來制造業的期待。“我相信機器和建筑很快就能夠自我組裝、復制以及修復，因為這是自然系統的內在能力。”

　　“在當前的制造業中，我們可以用兩年半時間修建一座有50萬甚至上百萬個部件組成的摩天大樓。這是非常復雜的設計，使用了最先進的鋼鐵、混凝土以及玻璃。我們還可以用5年時間來制造令人激動的航天器，它們有250萬個組成部分。”這些都是了不起的成就，但是和自然系統相比呢？“我們有200萬種類型的蛋白質，它們能在一萬納秒（時間單位，即一秒的10億分之一）內折疊起來。而在大約1小時的時間內，30億個堿基對會進行DNA復制。”

　　經過這樣的比較，蒂比茨說人類的能力顯得相當渺小，“可是如果能夠學會自然系統的規律，那我們構建事物的方式就會變得無比高效。”

　　解碼和材料選擇是關鍵

　　如今，蒂比茨和他的實驗室真的帶來了4D打印的概念和顯示作品，并在今年的TED會議時演示了這一技術。在視頻當中，他“打印”出一條“繩子”。之后，這根“繩子”自己扭成了一個立方體。這只是眾多復雜步驟中的一個，如果有10萬條“繩子”的話，它們會變成更加復雜的東西。

　　根據科技博客“Geek”的解釋，4D打印的關鍵不在于最終能夠生成什么，而是在過程中的“形變”。“4D打印中的第四個維度是‘自主組裝’，”文章寫道，“但歸根結底還是‘時間’，因為組裝過程是在打印之后發生的。物體被打印出來，然后跟某種介質接觸，產生預設反應。在蒂比茨的實驗中，水是形變的介質。”

　　當然，不是所有材料和水接觸后都能完成“自主組裝”，解碼和材料選擇是關鍵。蒂比茨將想要制作的內容進行解碼，這是一種類似于解析人類DNA序列的逆向工作。然后，他選擇普通塑料和一種活性物質（蛋白質），將解碼后的序列植入其中。接下來奇跡就出現了，這些帶著“智慧”的物質會按照設想發生形變，“它們可以扭轉120度、負120度，直至到達最精確的位置。”

　　未來下水道會自己生長？

　　4D技術的出現讓業界為之振奮，這種分型藝術的奇妙讓全世界的設計師和建筑師為之癡狂。想想看，你只需要在電腦前將一座摩天大樓進行解碼，然后輸入到特定的材質當中，它就可以自動“長”出屋頂、承重墻以及電梯間……

　　“要知道，打印其實并不是一個新鮮的概念，”蒂比茨說，“可是當它涉及未來的變化時就不一樣了。我們可以隨意生成很多架構，利用材料的彎曲和扭轉來改變生活中的很多方面。如果地下水管能夠實現自我伸縮，以應對不同的需求和流量，這樣就能夠節省掉挖掘街道的步驟了。”

　　此外，這一技術還有可能應用到家具、自行車、汽車甚至是醫療領域。不過，由于解碼的步驟非常復雜，所以目前4D打印技術還只能“打印”可以自動變形的條狀物體。接下來蒂比茨和他的同行們的研究目標是“打印”片狀物體，然后才是結構更加復雜的物體。盡管還不夠完善，但蒂比茨顯然已經觸摸到改變未來世界的“門把手”。（記者 葛曉倩）

　　蒂比茨的特殊藝術品

　　在麻省理工第55樓和第66樓之間，有一座特殊的藝術品（見上圖）。那是蒂比茨和他的同事以及學生們精心設計的，并作為學校150周年校慶以及藝術、科學和技術節的禮物。它的名字叫做“VoltDom”，是象征著未來設計的裝置藝術。

　　這是一座由玻璃和混凝土組成的藝術品，但所采用的材質并不是普通的玻璃和混凝土。它們是蒂比茨采用新材料的杰作，未來他希望能夠用4D打印技術來完成這種復雜的、數以百計的拱形結構。如今，它被鑲嵌在走廊上，根據一天中的光線變化呈現出不同的形態。之所以能夠呈現出這一點，是因為VoldDom內部的拱形全都不一樣，材料的厚度也不一致，光線不能穿透其中，只能通過各種反射和折射。

　　蒂比茨希望通過VoltaDom來拓展“surface panel”（面板）的現代建筑概念，通過強化雙曲拱頂面的深度來體現這種感覺。這是他和團隊合力組裝的作品，如果4D打印能夠繼續發展，他完全可以直接將其“打印”出來。

　　蒂比茨和他的實驗室

　　蒂比茨所帶來的4D打印技術尚未成熟，但卻在世界范圍內迅速掀起波瀾。相關的記憶金屬以及軟件公司股價大漲，一時間有洛陽紙貴的趨勢。但炒熱概念股并不是他們的目標，就像他的實驗室SJET LLC在官網上所寫的那樣，“我們對于科技的探索永無止境。”

　　作為畢業于費城大學的高材生，蒂比茨當年拿著5年的建筑學學士學位以及輔修的實驗計算機學位來到麻省理工，在這里繼續深造并拿到計算機科學的碩士學位。2007年，他在麻省理工建立了SJET LLC，最初他們只是想搭建一個設計和計算機實驗的平臺。但經過多年發展，如今該實驗室已經橫跨建筑、設計、制造、電子科學和機器人學等多個領域。而蒂比茨作為領軍人物，也成為目前設計、建筑以及自動組裝系統界的紅人。

　　在過去幾年間，他獲得了TED2011年和2012年的獎學金，被《種子雜志》評為“最有革命思想的人”之一。他在美國現代藝術館進行過演講，參加了古根海姆波博物館和北京雙年展，還作為客座學者在賓夕法尼亞大學、普拉特學院、哈佛大學研究生院等進行講學。