東京大學(xué)開發(fā)出可自動折疊的 4D 物體

導(dǎo)讀：復(fù)雜物體的三維打印通常需要很長時間，這是因為在打印過程中需要一層一層的來構(gòu)建物體。而且打印過程中經(jīng)常會浪費大量材料來作為支撐結(jié)構(gòu)。研究人員首次將二維打印、折紙和化學(xué)結(jié)合起來，創(chuàng)造出一種不產(chǎn)生任何廢料的快速三維物體制造方法。這些形狀可在數(shù)秒內(nèi)自行折疊。

一段時間以來，3D 打印一直被用于產(chǎn)品原型制作，現(xiàn)在越來越多地用于產(chǎn)品的制造，甚至包括噴氣發(fā)動機的部件。但是，每一種三維制造方法都有其局限性，例如完成打印需要很長時間，或者在打印過程中會浪費殘余材料。4D 打印是一個可以緩解這些問題的概念，它使用的材料數(shù)量極少，經(jīng)過挑選的材料具有某些特殊屬性，可以在適當(dāng)?shù)臈l件下自折疊成復(fù)雜的三維形狀。之所以稱其為 4D 打印，是因為自折疊過程必然要利用時間，而時間通常被稱為四維空間。具有諷刺意味的是，快速 4D 打印的新方法始于 2D 領(lǐng)域。

東京大學(xué)電子工程與信息系統(tǒng)系的項目助理教授 Koya Narumi 說："我和我的團隊發(fā)現(xiàn)了如何使用易獲得的工具和材料來創(chuàng)建自動折疊的 4D 物體。"從本質(zhì)上講，我們是在制作帶有折紙圖案的平板，而這些圖案可能非常復(fù)雜，即使是熟練的折紙藝術(shù)家也需要花費數(shù)小時才能完成。但由于采用了我們的特殊工藝，你可以在這些平板上澆上熱水，然后看著它們在幾秒鐘內(nèi)就彈出復(fù)雜的三維形狀。"

這項技術(shù)利用了一種特殊的噴墨打印機，這種打印機是專為打印紫外線反應(yīng)材料而制造的--雖然這種機器本身的價格可能高達數(shù)萬美元，但在創(chuàng)客社區(qū)和共享工作室中卻經(jīng)常能見到它們的身影。這種打印機可以將二維折紙設(shè)計打印到塑料板的兩面，塑料板受熱后會收縮。它使用的墨水不會收縮，干燥后可以保持彈性。由于基片在加熱時會收縮，而油墨會抵制收縮，因此設(shè)計者可以通過在一側(cè)或另一側(cè)的油墨部分之間留出間隙，來控制基片上某一部分的折疊方式。使用熱水對平板進行加熱，使其自發(fā)折疊成復(fù)雜的折紙結(jié)構(gòu)。

Narumi 說："我們面臨的最大挑戰(zhàn)是改進硬件和材料的選擇，花了一年多的時間才縮小到最終的選擇范圍。"但所有的嘗試和錯誤都是值得的；與以前圍繞同樣基本想法進行的研究相比，我們的輸出分辨率提高了 1200 倍，這意味著我們能創(chuàng)造的設(shè)計不僅僅是新奇的東西，而且可以用于實際應(yīng)用。未來，我們可能會探索導(dǎo)電或磁性油墨等功能性材料，從而實現(xiàn)機器和其他功能性設(shè)備。

Narumi 和團隊希望這項創(chuàng)新能在時尚等各個領(lǐng)域得到應(yīng)用，因為在這些領(lǐng)域，材料浪費往往很嚴重，尤其是在追求定制設(shè)計的領(lǐng)域。不過，由于預(yù)先折疊的形狀是完全平整的，因此在物流或存儲緊張的任何情況下，這項技術(shù)都有用武之地。打印好的設(shè)計甚至可以郵寄出去，然后收件人可以將其加熱，變成他們訂購的東西。在災(zāi)后恢復(fù)領(lǐng)域甚至也可以使用這種技術(shù)，因為災(zāi)后恢復(fù)需要某些物品（可能包括醫(yī)療物品），但往往難以運輸，而如果所需的物品基本上是扁平的，運輸就會變得容易得多。

論文：
"Inkjet 4D Print: Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing," ACM Transactions on Graphics: July 24, 2023, doi:10.1145/3592409 .