IBM發(fā)布納米機(jī)器新型 4D 打印專利,，打開增材制造新維度

2025年3月7日，南極熊獲悉,，美國專利商標(biāo)局(USPTO) 公布了總部位于紐約的 IT 跨國公司國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM) 的一項新專利,。專利文件最初于 2023 年 8 月提交 (美國專利號 20250073998) 概述了一種使用 4D 打印智能材料運輸微粒的新方法。

根據(jù) IBM 的文件,，這些 4D 打印物質(zhì)會響應(yīng)熱,、光、磁場或電等外部刺激而移動,。因此,，可以對它們進(jìn)行配置和操作，以將微粒（直徑 1-100µm）從起點傳送到難以到達(dá)的小區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)位置,。  

這家美國科技巨頭的方法使用計算機(jī)程序來監(jiān)控智能材料的運動,。如果 4D 物體偏離了預(yù)定路徑，機(jī)器學(xué)習(xí)模型就會調(diào)整輸入,，讓微粒保持在正軌上,。IBM 強(qiáng)調(diào)藥物輸送、細(xì)胞微載體,、微型電子組裝和微制造是潛在應(yīng)用,。

IBM 的 AI 工程師 Tushar Agrawal 和應(yīng)用架構(gòu)師 Sarbajit K. Rakshit 幫助發(fā)明了新的 4D 打印方法，他們擁有豐富的增材制造經(jīng)驗,。Agrawal 為 180 多項專利申請做出了貢獻(xiàn),，其中包括一項使用可分解材料 3D 打印物體并監(jiān)測其隨時間分解的提案。Rakshit 在 IBM 擁有近 20年的經(jīng)驗,，他是該公司于 2017 年提交的全息圖 3D 打印專利的幕后推手,。

△用激光全息圖 3D 打印回形針,。圖片來自 DAQRI

前 IBM 軟件開發(fā)人員 VinodA. Valecha 也屬于專利發(fā)明人之一。他目前就職于圣何塞科技公司Cohesity,，之前曾為 IBM 的可折疊構(gòu)建板連續(xù) 3D 打印專利做出過貢獻(xiàn),。Valecha 還與他人共同發(fā)明了一種“并行化增材制造”工藝，可在多臺 3D 打印機(jī)上同時制造解構(gòu)部件,。IBM 的“大師級發(fā)明家”Su Liu 也在新發(fā)布的 4D 打印專利中榜上有名,。  

△IBM 徽標(biāo)。照片來自 IBM,。

IBM 的新 4D 打印專利

IBM 的 4D 打印流程始于計算機(jī)程序收到用戶請求,，要求將微粒從起始位置沿特定路徑運送到目標(biāo)位置。每個請求都包括微粒大小,、形狀,、重量和材料成分等關(guān)鍵特征。還必須指定運送路徑和環(huán)境條件,，小規(guī)模智能打印材料能夠穿過工業(yè)環(huán)境,、腸道和動脈等介質(zhì)。

IBM 的程序會分析請求并使用 ML 模型來設(shè)計一個針對微粒輸送進(jìn)行了優(yōu)化的 4D 可打印物體,。這些物體中可以使用的智能材料包括形狀記憶合金和形狀記憶聚合物,。這兩種材料在加熱或變形后都可以恢復(fù)到原來的形狀。

如果微粒足夠小,，它們可以直接附著在可移動的 4D 物體表面上,。然而，對于更大更重的微結(jié)構(gòu),，IBM 建議使用剛性的 3D 打印容器,。這些容器固定在智能材料上，并在運輸過程中容納微塑料,。   

一旦觸發(fā),，IBM 的程序就會施加外部刺激來激活 4D 物體。智能材料通過變形并產(chǎn)生使物體運動的力量來做出反應(yīng),。例如,，熱量會導(dǎo)致形狀記憶材料彎曲或折疊，而光會觸發(fā)光響應(yīng)材料的運動,。磁場也可用于吸引或排斥 4D 物體,，引導(dǎo)物體朝特定方向運動。

IBM 的專利流程使用 ML 模型持續(xù)監(jiān)控 4D 打印物體沿傳送路徑移動的情況,。如果檢測到任何偏差或阻塞,，算法會立即分析問題并調(diào)整刺激以糾正移動。一旦到達(dá)目標(biāo)位置,，IBM 的程序就會移除外部輸入,，停止移動并傳送微粒,。  

據(jù)這家硅谷科技巨頭稱，新公布的專利為多種高價值應(yīng)用提供了巨大潛力,。例如,，它可以通過將藥物輸送到身體各處的特定器官或組織，為靶向藥物輸送提供一種精確的方法,。在電子領(lǐng)域,，IBM 的創(chuàng)新工藝可用于以極高的精度組裝微型電子元件。智能材料還可以在傳統(tǒng)制造機(jī)器和機(jī)器人無法到達(dá)的狹小空間內(nèi)移動微粒,，為微加工提供價值,。               

△流程圖代表了 IBM 的新型 4D 打印方法。圖片來自美國專利商標(biāo)局,。

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4D打印絕不是一個新概念。早在2021年,，中國天津大學(xué)的研究人員就開發(fā)了一種能夠移動的 4D打印軟機(jī)器人,。管狀裝置由液晶彈性體制成，受熱后可自行組裝,。裝置設(shè)計旨在利用折疊圖案在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變，使其能夠滾動并穿過平坦表面,。這款 4D 打印機(jī)器人還展示了爬上 20° 斜坡和拖動自身重量 40 倍的負(fù)載的能力,。

△3D 打印和加熱軟體機(jī)器人。圖片來自天津大學(xué),。

一支由德國,、埃及和阿聯(lián)酋研究人員組成的團(tuán)隊還開發(fā)了一種新方法，可以制作具有記憶功能的4D打印牙齒矯正器,。牙齒矯正器采用 Kline Europe 的透明 ClearX 樹脂進(jìn)行 DLP 打印,，插入用戶口中后會變軟。這使得矯正器能夠適應(yīng),、抓握和重新定位錯位的牙齒,。研究人員展示了一種可以隨時間可預(yù)測地改變矯正器屬性的能力，成為了一次性牙科產(chǎn)品的可持續(xù)替代品,。  

此外,，貝爾法斯特女王大學(xué)的團(tuán)隊開發(fā)了個性化的4D 打印乳房植入物，用于管理和治療癌癥,。據(jù)研究人員稱,，這是 4D 打印首次用于生產(chǎn)乳腺癌植入物。

利用這一工藝,，北愛爾蘭的科學(xué)家制作出多功能乳房植入物,，這些植入物可以編程改變尺寸,，以更好地適應(yīng)患者的組織腔。據(jù)報道,，這可以實現(xiàn)更大的個性化和更好的美學(xué)效果,。4D 打印植入物還可以編程在需要的地方釋放化療藥物，防止癌細(xì)胞復(fù)發(fā),。