東京大學(xué)開(kāi)發(fā)出可自動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間,，這是因?yàn)樵诖蛴∵^(guò)程中需要一層一層的來(lái)構(gòu)建物體。而且打印過(guò)程中經(jīng)常會(huì)浪費(fèi)大量材料來(lái)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(lái),，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(shí)間以來(lái),，3D 打印一直被用于產(chǎn)品原型制作，現(xiàn)在越來(lái)越多地用于產(chǎn)品的制造,，甚至包括噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)時(shí)間,，或者在打印過(guò)程中會(huì)浪費(fèi)殘余材料。4D 打印是一個(gè)可以緩解這些問(wèn)題的概念,，它使用的材料數(shù)量極少,，經(jīng)過(guò)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?yàn)樽哉郫B過(guò)程必然要利用時(shí)間，而時(shí)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(xiàng)目助理教授 Koya Narumi 說(shuō)："我和我的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了如何使用易獲得的工具和材料來(lái)創(chuàng)建自動(dòng)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(fèi)數(shù)小時(shí)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?cè)趲酌腌妰?nèi)就彈出復(fù)雜的三維形狀,。"

這項(xiàng)技術(shù)利用了一種特殊的噴墨打印機(jī)，這種打印機(jī)是專為打印紫外線反應(yīng)材料而制造的--雖然這種機(jī)器本身的價(jià)格可能高達(dá)數(shù)萬(wàn)美元,，但在創(chuàng)客社區(qū)和共享工作室中卻經(jīng)常能見(jiàn)到它們的身影,。這種打印機(jī)可以將二維折紙?jiān)O(shè)計(jì)打印到塑料板的兩面，塑料板受熱后會(huì)收縮,。它使用的墨水不會(huì)收縮,，干燥后可以保持彈性。由于基片在加熱時(shí)會(huì)收縮,，而油墨會(huì)抵制收縮,，因此設(shè)計(jì)者可以通過(guò)在一側(cè)或另一側(cè)的油墨部分之間留出間隙，來(lái)控制基片上某一部分的折疊方式,。使用熱水對(duì)平板進(jìn)行加熱,，使其自發(fā)折疊成復(fù)雜的折紙結(jié)構(gòu),。

Narumi 說(shuō)："我們面臨的最大挑戰(zhàn)是改進(jìn)硬件和材料的選擇，花了一年多的時(shí)間才縮小到最終的選擇范圍,。"但所有的嘗試和錯(cuò)誤都是值得的,；與以前圍繞同樣基本想法進(jìn)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(jì)不僅僅是新奇的東西,，而且可以用于實(shí)際應(yīng)用。未來(lái),，我們可能會(huì)探索導(dǎo)電或磁性油墨等功能性材料,，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器和其他功能性設(shè)備。

Narumi 和團(tuán)隊(duì)希望這項(xiàng)創(chuàng)新能在時(shí)尚等各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用,，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域,，材料浪費(fèi)往往很嚴(yán)重，尤其是在追求定制設(shè)計(jì)的領(lǐng)域,。不過(guò),，由于預(yù)先折疊的形狀是完全平整的，因此在物流或存儲(chǔ)緊張的任何情況下,，這項(xiàng)技術(shù)都有用武之地,。打印好的設(shè)計(jì)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(gòu)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?yàn)闉?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(yùn)輸,，而如果所需的物品基本上是扁平的，運(yùn)輸就會(huì)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 .