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4D打印新突破!让你秒变“神笔马良”

时间: 2021年04月06日 | 作者: 洪艺瑞 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
神话中的神笔马良,能将笔下的图画变成现实。而近日,来自韩国首尔大学的研究团队,用一支“马克笔”做到了这一点。


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图片来源:Song et al., Sci. Adv. 2021; 7: eabf3804


在用这只神奇的马克笔作画后,只需要将图画在溶液中浸泡3分钟,图画中的2D形状就能“跳”出纸面,变成3D结构。


撰文 | 洪艺瑞

审校 | 吴非


“神笔马良”的故事,我们都不陌生。马良在梦中获得的神笔,能将图画变成现实。近日,在一项发表于《科学·进展》的研究中,科学家利用奇妙的物理化学反应,也创造了一只“神笔”,能在石头上直接画出立体的花。


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来源:研究论文


这其实是由韩国首尔大学的生物工程学家研发的4D打印技术:利用两种特殊染料在2D平面上作画,再将图画在过硫酸钾溶液中浸泡3分钟,即可将其转变为3D物体。



神奇魔力的来源


这项不可思议的新技术,源自科学家发现的一个有趣现象。研究论文的第一作者,来自首尔大学电子工程与计算机科学系的Seo Woo Song在接受《环球科学》采访时表示:“我们偶然发现,把马克笔画出的图像浸泡在水中,图像竟然可以从纸上脱落,漂在水面上。后来我们才知道,这个现象其实很常见,甚至是一个非常流行的儿童趣味实验。”


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这段发布于2018年的视频,展示了用马克笔画的“小人”如何实现水中“漫步”。(视频来源:Mad Russian Scientist)


2017年,普林斯顿大学的工程学家塞皮德·胡拉帕拉斯特(Sepideh Khodaparast)及其团队也注意到了这一现象。他们用马克笔在玻璃上写字后,将玻璃以1 μm/s的速度缓慢地浸入水中,结果发现字迹从玻璃表面完整地脱落。该团队随后于《物理评论快报》(Physical Review Letter)上发表论文,对该现象的物理学机制做出了说明。论文指出,马克笔的笔迹在风干后会形成一层疏水薄膜。将笔迹浸入水中时,由于薄膜与玻璃之间的附着力小于水-空气界面的表面张力,水溶液能够慢慢渗入薄膜和玻璃之间,并最终将薄膜从玻璃上剥离。研究团队把这种现象称为毛细管剥离现象(capillary peeling)。


“胡拉帕拉斯特团队从物理学的角度解释了该现象,我们则更加关注马克笔颜料的独特性,”Song表示,“我们用多种马克笔进行了实验,发现只有颜料中同时含有聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和表面活性剂的马克笔,才能够出现毛细管剥离现象;如果不含表面活性剂,笔迹也不能从玻璃上脱离。”


这正是Song及其团队提出的4D打印技术的灵感来源。基于以上发现,他们开发出了红色和黑色两种颜料。这两种颜料都含有PVB,但不同的是,红色颜料中含有表面活性剂,因此能够从玻璃等基质上脱离,并漂浮在水面上;而黑色颜料中不含表面活性剂,因此仍然附着在基质上,起到固定红色颜料的作用。在用两种颜料进行绘画后,将图像浸泡在水溶液中,红色颜料就可以漂浮起来,形成立体结构。“2D图像的形状以及水位的高低,共同决定了最终的3D结构。通过计算机模拟,我们能够对物体的最终形状进行预测,这让精准设计成为可能。”Song表示。


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含有表面活性剂(左图红色)与不含表面活性剂(左图黑色)的颜料呈现出不同的性质。(图片来源:研究论文)


但仅仅有这两种颜料还不够。研究团队发现,如果用纯水浸泡马克笔字迹,那么形成的3D结构将在离开水溶液后,因失去表面张力的作用而迅速变形。为了解决这个问题,研究团队从以往的研究中寻找线索。他们注意到,亚铁离子和过硫酸根反应生成的自由基,能够形成水凝胶,进而包裹在聚合树脂和陶瓷等多种材料上,避免材料变形。


受到启发,研究团队在红色颜料中加入了少量的亚铁离子,并将水溶液换为质量浓度为50%的过硫酸钾溶液。实验结果表明,PVB薄膜表面形成了一层300微米的水凝胶,将3D物体的刚度提高至原来的1000倍。Song表示:“这层凝胶不仅可以将物体定型,同时也赋予了物体厚度,让它更加立体。”


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多聚物形成涂层的过程(图片来源:研究论文)


除了让石头开花之外,这只“神笔”还可以在手套上画出展翅的蝴蝶、在树叶上绘制正欲起跳的青蛙。在论文中,研究人员尝试了在手套、玻璃、陶瓷、树叶、金属和石头上作画。在进行3分钟的浸泡后,这些图画均可成功实现2D到3D的转变。论文写道:“笔是我们最常用的表达工具,同时也是最具有创造力、最方便和最熟悉的……以笔作为载体的4D打印技术,能让我们在打印基质的选择上,具有更多的灵活性。”


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在多种材料上均可实现2D-3D的转变。(图片来源:研究论文)


更为神奇的是,这只“神笔”还能完成一些看起来不可能的任务,例如“不可能的瓶子”(impossible bottle),即把一些比瓶口大的物体装入瓶内,“瓶中船”就是一个例子。在本研究中,研究人员把写有字母的聚二甲基硅氧烷薄膜卷起来装入瓶中,然后通过浸泡,让字母从薄膜上脱落,形成立体结构。


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图片来源:研究论文



又一个奇思妙想?


这项研究看上去似乎只是科学家的奇思妙想,但其实它在尝试解决制造业的一个瓶颈问题。


我们所制造的许多物品都局限在二维平面中,需要通过机器或人工的方式进行组装。这样制造出的物品,不仅需要耗费额外的时间与劳动力,而且在复杂度和精巧度上也有所欠缺。而3D打印技术能够很好地解决这个问题,其本质是二维平面的层层堆叠:3D打印机按照计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)文件中给出的数字模型,从下至上层层打印,最终无数个二维平面堆叠为一个三维物体。通过这一技术,我们能够直接打印出由塑料、金属、粉末或活细胞等多种材质制成的3D物品。


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3D打印机正在打印物体。(图片来源:pixabay)


尽管如此,制作CAD文件较为复杂、3D打印耗时较长、成本高昂等限制因素,使得3D打印技术距大规模使用仍存在一定距离。科学家希望,能够将2D打印的便捷性与3D打印的精巧性结合起来——4D打印技术由此诞生。


“4D打印在3D打印的基础上,增加了‘时间’这个维度。在4D打印中,平面形状在电压等外部因素作用下,可以折叠、弯曲从而变成3D结构。利用4D打印,我们可以先大规模地印刷出2D图形,再把它们运输到各地,在当地完成2D到3D的转变。这将大大减少运输和储存的成本,”Song解释道,“但之前的4D技术往往依赖于智能材料,比如拥有形状记忆功能的合金,这使得其成本十分高昂……而我们的技术只需要一支笔和过硫酸钾溶液。”


为了展示该技术在大规模应用上的潜力,研究人员不仅展示了如何用机械臂大批量绘制2D图案,同时还搭建了流水线,实现了2D-3D转化过程的自动化。在流水线上,首先由机械臂绘制2D图案,然后这些图案被运到过硫酸钾水槽中浸没3分钟,产生3D结构并被定型。研究论文指出:“采用这套方法,我们可以在30分钟内,制作60个3D物品。尽管目前流水线生产的物品在形状上还存在微小的差异,但是我们相信这种差异会随着自动化程度的提高进一步减小。”


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全自动机械臂正在批量绘制图形。(视频来源:研究论文)


下一步,研究团队将探究如何赋予颜料更多的功能性。目前,由于颜料中含有亚铁离子,因此制造的物体具有磁性,能够对磁场产生响应。Song表示:“这一特征使该技术有望用于磁力驱动的软体机器人的制造,它能够解决软体机器人领域难以制造出复杂且灵活的3D结构这一问题。我们目前正在筛选具有不同的力学性能的材料,以更好地吻合软体机器人在设计和制造上的需求。”


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生产出的物体具有磁性。(图片来源:研究论文)


另一个可能的应用,是将这项技术用于电子制造领域。哈佛大学的工程学家珍妮弗·刘易斯(Jennifer Lewis)表示,如果PVB薄膜能够携带电路,“这将会非常强大”。在论文中,研究人员尝试了向颜料中添加碳纳米管。结果显示,制造出的3D物体具有一定的导电性。“这仅仅表示我们的技术有潜力应用于电子领域,”Song表示,“我们希望能够研发出更适合的材料,证明这项技术可以投入实际应用中。”目前,团队正在探究半导体的主要成分光刻胶(photoresist)是否也能用作颜料。


而在制造业之外,这项技术也可能大放异彩。正如韩国国立蔚山科学技术院的材料学家Jiyun Kim所说:“人们对于手绘有种朴素的热爱。能够看到自己笔下的一切变为现实,将是一件非常有趣的事情。这也是为什么我觉得,在其科学价值之外,这项技术也拥有独特的艺术价值。”或许今后,人人都能成为神笔马良。


参考文献:

Khodaparast S, Boulogne F, Poulard C, et al. Water-based peeling of thin hydrophobic films[J]. Physical review letters, 2017, 119(15): 154502.

Lee S, Song S W, Choe J K, et al. 2D to 3D transformation of pen-drawing[C]. CBMS (Chemical and Biological Microsystems Society), 2020.

Ma S, Yan C, Cai M, et al. Continuous Surface Polymerization via Fe (II)‐Mediated Redox Reaction for Thick Hydrogel Coatings on Versatile Substrates[J]. Advanced Materials, 2018, 30(50): 1803371.