如今的3D打印机通过类似喷墨打印机喷嘴的装置逐层沉积材料，构建实体物品；对于制作原型的设计师或产品批量有限的小公司而言，它们是很有用的工具。
但是，打印高度超过几厘米的物品需要很长时间。许多研究人员认为，只有当这类设备能够生成带有图案的材料薄片，并使其自动变形为更大、更复杂的形状时，3D打印才能充分发挥潜力。
在最新一期《科学报告》期刊中，MIT以及Autodesk和Stratasys两家公司的研究团队介绍了一种设计和制造此类“可编程物质”的新流程，有望使其用途更加广泛。MIT及其他机构此前的许多研究都集中在可自行折叠的材料上，而新流程制成的材料还能够自行伸展。
“如果结构要发生变化，曲率也随之出现——比如从平坦区域变成具有有效曲率的形状，例如一座山——面积就会改变，”MIT媒体实验室博士后、这篇新论文的第一作者Dan Raviv说。“材料会发生拉伸。此前，人们只考虑弯曲，这不会改变面积和长度。或者他们会做一些拉伸，但无法控制或预先编程。现在，我们需要开发一套新的工具，同时实现这两种变化。”
Raviv是媒体实验室Camera Culture研究组的成员。该组由媒体艺术与科学副教授Ramesh Raskar领导，专注于计算摄影。这听起来可能与自折叠材料相去甚远，但Raviv表示，他的工作着眼于视觉数据的几何解释。将图像中的色点映射到多个假设的底层场景3D模型上的数学框架，与将自变形材料表面上的点映射到其最终位置的框架非常相似。
让材料成形
去年，Raviv、Raskar、研究生Achuta Kadambi以及Raskar团队的另一位博士后Boxin Shi受邀参与可打印材料自组装问题的合作。这一邀请是在MIT建筑系研究科学家Skylar Tibbits的一场报告上发出的。Tibbits负责MIT自组装实验室，他更愿意用“4D打印”来称呼实验室的这项工作，其中第四维指的是设备自组装所需的时间。
Camera Culture的研究人员开发了算法，可确定任意3D物体的各个部分需要伸展多少，才能适应物体变为另一种形状。但如何在实体中实现这种变形，则由Tibbits团队负责。
此前关于自折叠材料的许多研究都涉及层压材料：3D打印机或激光切割机制作出由不同材料构成的图案薄片，研究人员再用手将它们粘在一起。其中一种材料受热或浸水时会弯曲；另一种则会使薄片的某些部分保持坚硬。
但Tibbits坚持要实现真正可打印的材料——从打印机中取出时就可以直接使用的材料。他一直与3D打印机制造商Stratasys的研究人员合作；该公司研发出一种吸水后会膨胀的聚合物。Stratasys打印机能够在3D打印物体的每一层中沉积多种聚合物，Tibbits团队则设计出结合不同聚合物的方案，制成浸水后会自行折叠的材料。
伸展阶段
Tibbits与建筑系研究生Carrie McKnelly和研究专员Athina Papadopoulou共同设计出一种简单而巧妙的“线性致动器”，即一种能使其打印材料的各个部分伸展的组件。该组件由两个聚合物圆盘组成，两者通过两条弯曲的复合聚合物带连接。从侧面看，这个组件像漫画超级英雄绿灯侠的标志。
弯曲带状结构的内缘由膨胀聚合物制成；吸水后，这些带状结构会变直。
Tibbits团队通过调整膨胀层和刚性层的相对厚度，确定了弯曲带状结构形成的椭圆直径与膨胀程度之间的关系。他们还确定了如何在带状结构末端的圆盘上制作凹痕，并设置膨胀聚合物层，使圆盘能够沿正确方向弯曲，以适应材料膨胀区域的曲率。
确定组件的性能特征后，MIT研究人员与计算机辅助设计软件制造商Autodesk的同事合作开发了一款模拟程序，用于判断按照其设计规格制造的设备能否按预期自行组装。Autodesk和Stratasys的研究人员都是这篇新论文的合著者。
“3D打印后再浸入水中的策略，是否是制造响应式结构的一条技术上可行的路径，目前尚不明确，”哈佛大学工程与应用科学学院教授Jennifer Lewis说。“尽管如此，这是一个精巧的4D打印实例。”
本文由 MIT合作发布。本文的发表并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Larry Hardesty是MIT特约撰稿人。
2014年6月3日，台北，台北世界贸易中心南港展览馆：在Computex展会上，Aurora的F1 3D打印机正在打印一个小雕像。路透社。
