浙江大學(xué)玉泉校區(qū)第十教學(xué)樓的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，正在進(jìn)行一次奇妙的試驗(yàn)：在兩片玻璃片中間滴入幾滴透明的液體，放到普通投影儀下短暫“曝光”后，取出成型的膠片投入水中，平面的膠片“長(zhǎng)”成了一朵郁金香，整個(gè)過程只在短短數(shù)分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
利用一張平面的塑料片極速“凹”出復(fù)雜的立體造型，科學(xué)家稱之為快速多維制造。發(fā)明者是浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院的謝濤教授課題組。相關(guān)論文“Ultrafast Digital Printing toward 4D Shape Changing Materials”12月8日在國際著名期刊《Advanced Materials》上發(fā)表。學(xué)界認(rèn)為，這一發(fā)明將對(duì)當(dāng)前熱門的3D打印與個(gè)性化制造提供全新思路。
論文的第一作者，博士生黃麗媚向記者“拆解”了整個(gè)“魔術(shù)”制造的關(guān)鍵步驟。第一步是制作“底片”。底片是厚度約為0.5毫米的液體薄膜。這類液體會(huì)在光的照射下固化，被稱為光固化樹脂。我們生活中目前廣泛使用的補(bǔ)牙材料，也是一類光固化樹脂，平時(shí)如橡皮泥般柔軟，但只要經(jīng)紫外光照射，就能立刻變得堅(jiān)固且貼合牙齒。
第二步是曝光——利用投影儀畫“圖紙”?？茖W(xué)家根據(jù)成型的目標(biāo)，通過一系列力學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)出一張帶有灰度變化的投影圖。投影的瞬間，底片上的每個(gè)像素點(diǎn)的光照程度都不一樣。投影數(shù)秒之后，雖然底片看起來仍是一層薄薄的塑料，但在內(nèi)部，分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。只要遇到溫度或者其他外界條件刺激，不同像素點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)行為。這是后期精準(zhǔn)“顯形”的關(guān)鍵。
第三步，立體顯影。見證奇跡的時(shí)刻就在這一步發(fā)生?！暗灼蓖度胨兄?，由于每個(gè)像素點(diǎn)的吸水程度不一樣，會(huì)產(chǎn)生有趣的、符合事先設(shè)計(jì)的形變。就像水中“長(zhǎng)”出了一座悉尼歌劇院，或是水中“開”出了一朵花?！袄孟嗤脑恚覀円部梢允顾芰掀谌诨南炛酗@影，就可以做出一朵立體的蠟質(zhì)花，”謝濤說，通過打印液體的選擇，可以在三維物件中很方便的引入多個(gè)其他維度，即隨時(shí)間變形的性能，例如形狀記憶效應(yīng)等，因此將該項(xiàng)技術(shù)稱為快速多維制造。該項(xiàng)技術(shù)在諸多領(lǐng)域均有應(yīng)用前景，例如在工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用的失蠟鑄造法（首飾制造等），通過這項(xiàng)新的技術(shù)可以大大提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。
平面變立體，聽起來很玄乎，但是科學(xué)家說，這類形變?cè)谏钪蟹浅Ｆ毡?，墻壁、地板受潮起泡就是一個(gè)典型的例子。“這一現(xiàn)象提示我們，或許我們?cè)谶M(jìn)行三維設(shè)計(jì)制造時(shí)，不需要通過復(fù)雜耗時(shí)的層層打印步驟，而去使用一種更為簡(jiǎn)潔、連續(xù)、高效的過程?！敝x濤說，這一靈感的提示下，課題組進(jìn)行了快速多維制造的探索。這一方法最顯著的優(yōu)勢(shì)就是快。
謝濤說，3D打印是一種增材制造方法，它相較于傳統(tǒng)的減材制造，它在節(jié)省成本和個(gè)性化制造方面均顯示出諸多優(yōu)勢(shì)。但目前廣泛采用的3D打印技術(shù)無法回避的挑戰(zhàn)在于逐層打印，限制了打印精度和速度。
“我們的方法避開了這一挑戰(zhàn)，它的成型是連續(xù)的，快速的，可以為多維制造提供新的思路。”謝濤認(rèn)為，盡管這一的技術(shù)存在廣泛應(yīng)用前景，當(dāng)前仍然需要多學(xué)科的科學(xué)家進(jìn)行共同研究，推進(jìn)這一技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)：“很期待研究光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和力學(xué)的科學(xué)家的加入?！?/span>
“沒有變形就沒有大自然，我們從自然界的變形中得到了許多啟示。”謝濤團(tuán)隊(duì)近年來致力于研究具有智能形變功能的高分子材料，曾研發(fā)出可記憶復(fù)雜形狀的新型塑料、可自動(dòng)脫落的“壁虎膠”等材料——變形材料有著廣泛應(yīng)用前景。謝濤說：“向日葵能隨著太陽光轉(zhuǎn)動(dòng)，捕蠅草能感受觸覺并快速閉合，這些自然現(xiàn)象啟發(fā)人們?nèi)ピO(shè)計(jì)各種奇妙的材料變形行為?！?/span>
(文 周煒 / 攝影 馮春霖 學(xué)生記者）
