4D列印新突破!一支馬克筆,讓你秒變“神筆馬良”

語言: CN / TW / HK

圖片來源:Song et al., Sci. Adv. 2021; 7: eabf3804

神話中的神筆馬良,能將筆下的圖畫變成現實。而近日,來自韓國首爾大學的研究團隊,用一支“馬克筆”做到了這一點。在用這隻神奇的馬克筆作畫後,只需要將圖畫在溶液中浸泡3分鐘,圖畫中的2D形狀就能“跳”出紙面,變成3D結構。

撰文 | 洪藝瑞

審校 | 吳非

“神筆馬良”的故事,我們都不陌生。馬良在夢中獲得的神筆,能將圖畫變成現實。近日,在一項發表於《科學·進展》的研究中,科學家利用奇妙的物理化學反應,也創造了一隻“神筆”,能在石頭上直接畫出立體的花。

影片來源:研究論文

這其實是由韓國首爾大學的生物工程學家研發的4D列印技術:利用兩種特殊染料在2D平面上作畫,再將圖畫在過硫酸鉀溶液中浸泡3分鐘,即可將其轉變為3D物體。

神奇魔力的來源

這項不可思議的新技術,源自科學家發現的一個有趣現象。研究論文的第一作者,來自首爾大學電子工程與計算機科學系的Seo Woo Song在接受《環球科學》採訪時表示:“我們偶然發現,把馬克筆畫出的影象浸泡在水中,影象竟然可以從紙上脫落,漂在水面上。後來我們才知道,這個現象其實很常見,甚至是一個非常流行的兒童趣味實驗。”

這段釋出於2018年的影片,展示了用馬克筆畫的“小人”如何實現水中“漫步”。(影片來源:Mad Russian Scientist)

2017年,普林斯頓大學的工程學家塞皮德·胡拉帕拉斯特(Sepideh Khodaparast)及其團隊也注意到了這一現象。他們用馬克筆在玻璃上寫字後,將玻璃以1 μm/s的速度緩慢地浸入水中,結果發現字跡從玻璃表面完整地脫落。該團隊隨後於《物理評論快報》( Physical Review Letter )上發表論文,對該現象的物理學機制做出了說明。論文指出,馬克筆的筆跡在風乾後會形成一層疏水薄膜。將筆跡浸入水中時,由於薄膜與玻璃之間的附著力小於水-空氣介面的表面張力,水溶液能夠慢慢滲入薄膜和玻璃之間,並最終將薄膜從玻璃上剝離。研究團隊把這種現象稱為 毛細管剝離現象 (capillary peeling)。

“胡拉帕拉斯特團隊從物理學的角度解釋了該現象,我們則更加關注馬克筆顏料的獨特性,”Song表示,“我們用多種馬克筆進行了實驗,發現只有顏料中 同時含有聚乙烯醇縮丁醛(PVB)和表面活性劑 的馬克筆,才能夠出現毛細管剝離現象;如果不含表面活性劑,筆跡也不能從玻璃上脫離。”

這正是Song及其團隊提出的4D列印技術的靈感來源。基於以上發現,他們開發出了紅色和黑色兩種顏料。這兩種顏料都含有PVB,但不同的是,紅色顏料中含有表面活性劑,因此能夠從玻璃等基質上脫離,並漂浮在水面上;而黑色顏料中不含表面活性劑,因此仍然附著在基質上,起到固定紅色顏料的作用。在用兩種顏料進行繪畫後,將影象浸泡在水溶液中,紅色顏料就可以漂浮起來,形成立體結構。“2D影象的形狀以及水位的高低,共同決定了最終的3D結構。通過計算機模擬,我們能夠對物體的最終形狀進行預測,這讓精準設計成為可能。”Song表示。

含有表面活性劑(左圖紅色)與不含表面活性劑(左圖黑色)的顏料呈現出不同的性質。(圖片來源:研究論文)

但僅僅有這兩種顏料還不夠。研究團隊發現,如果用純水浸泡馬克筆字跡,那麼形成的3D結構將在離開水溶液後,因失去表面張力的作用而迅速變形。為了解決這個問題,研究團隊從以往的研究中尋找線索。他們注意到, 亞鐵離子和過硫酸根反應生成的自由基,能夠形成水凝膠 ,進而包裹在聚合樹脂和陶瓷等多種材料上,避免材料變形。

受到啟發,研究團隊在紅色顏料中加入了少量的亞鐵離子,並將水溶液換為質量濃度為50%的過硫酸鉀溶液。實驗結果表明,PVB薄膜表面形成了一層 300微米的水凝膠 ,將3D物體的剛度提高至原來的1000倍。Song表示:“這層凝膠不僅可以將物體定型,同時也賦予了物體厚度,讓它更加立體。”

多聚物形成塗層的過程(圖片來源:研究論文)

除了讓石頭開花之外,這隻“神筆”還可以在手套上畫出展翅的蝴蝶、在樹葉上繪製正欲起跳的青蛙。在論文中,研究人員嘗試了在手套、玻璃、陶瓷、樹葉、金屬和石頭上作畫。 在進行3分鐘的浸泡後,這些圖畫均可成功實現2D到3D的轉變。 論文寫道:“筆是我們最常用的表達工具,同時也是最具有創造力、最方便和最熟悉的……以筆作為載體的4D列印技術,能讓我們在列印基質的選擇上,具有更多的靈活性。”

在多種材料上均可實現2D-3D的轉變。(圖片來源:研究論文)

更為神奇的是,這隻“神筆”還能完成一些看起來不可能的任務,例如“不可能的瓶子”(impossible bottle),即把一些比瓶口大的物體裝入瓶內,“瓶中船”就是一個例子。在本研究中,研究人員把寫有字母的聚二甲基矽氧烷薄膜捲起來裝入瓶中,然後通過浸泡,讓字母從薄膜上脫落,形成立體結構。

圖片來源:研究論文

又一個奇思妙想?

這項研究看上去似乎只是科學家的奇思妙想,但其實它在嘗試解決製造業的一個瓶頸問題。

我們所製造的許多物品都侷限在二維平面中,需要通過機器或人工的方式進行組裝。這樣製造出的物品,不僅需要耗費額外的時間與勞動力,而且在複雜度和精巧度上也有所欠缺。而3D列印技術能夠很好地解決這個問題,其本質是二維平面的層層堆疊:3D印表機按照計算機輔助設計(ComputerAidedDesign,CAD)檔案中給出的數字模型,從下至上層層列印,最終無數個二維平面堆疊為一個三維物體。通過這一技術,我們能夠直接打印出由塑料、金屬、粉末或活細胞等多種材質製成的3D物品。

3D印表機正在列印物體。(圖片來源:pixabay)

儘管如此,製作CAD檔案較為複雜、3D列印耗時較長、成本高昂等限制因素,使得3D列印技術距大規模使用仍存在一定距離。科學家希望,能夠將2D列印的便捷性與3D列印的精巧性結合起來——4D列印技術由此誕生。

“4D列印在3D列印的基礎上,增加了‘時間’這個維度。在4D列印中,平面形狀在電壓等外部因素作用下,可以摺疊、彎曲從而變成3D結構。利用4D列印,我們可以先大規模地印刷出2D圖形,再把它們運輸到各地,在當地完成2D到3D的轉變。這將大大減少運輸和儲存的成本,”Song解釋道,“但之前的4D技術往往依賴於智慧材料,比如擁有形狀記憶功能的合金,這使得其成本十分高昂……而我們的技術只需要一支筆和過硫酸鉀溶液。”

為了展示該技術在大規模應用上的潛力,研究人員不僅展示瞭如何用機械臂大批量繪製2D圖案,同時還搭建了流水線,實現了2D-3D轉化過程的自動化。在流水線上,首先由機械臂繪製2D圖案,然後這些圖案被運到過硫酸鉀水槽中浸沒3分鐘,產生3D結構並被定型。研究論文指出:“採用這套方法, 我們可以在30分鐘內,製作60個3D物品。 儘管目前流水線生產的物品在形狀上還存在微小的差異,但是我們相信這種差異會隨著自動化程度的提高進一步減小。”

全自動機械臂正在批量繪製圖形。(影片來源:研究論文)

下一步,研究團隊將探究如何賦予顏料更多的功能性。目前,由於顏料中含有亞鐵離子,因此製造的物體具有磁性,能夠對磁場產生響應。Song表示:“這一特徵使該技術有望用於 磁力驅動的軟體機器人 的製造,它能夠解決軟體機器人領域難以製造出複雜且靈活的3D結構這一問題。我們目前正在篩選具有不同的力學效能的材料,以更好地吻合軟體機器人在設計和製造上的需求。”

生產出的物體具有磁性。(圖片來源:研究論文)

另一個可能的應用,是將這項技術用於 電子製造領域 。哈佛大學的工程學家珍妮弗·劉易斯(Jennifer Lewis)表示,如果PVB薄膜能夠攜帶電路,“這將會非常強大”。在論文中,研究人員嘗試了向顏料中新增碳奈米管。結果顯示,製造出的3D物體具有一定的導電性。“這僅僅表示我們的技術有潛力應用於電子領域,”Song表示,“我們希望能夠研發出更適合的材料,證明這項技術可以投入實際應用中。”目前,團隊正在探究半導體的主要成分光刻膠(photoresist)是否也能用作顏料。

而在製造業之外,這項技術也可能大放異彩。正如韓國國立蔚山科學技術院的材料學家Jiyun Kim所說:“人們對於手繪有種樸素的熱愛。能夠看到自己筆下的一切變為現實,將是一件非常有趣的事情。這也是為什麼我覺得,在其科學價值之外,這項技術也擁有獨特的藝術價值。”或許今後,人人都能成為神筆馬良。

參考文獻:

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.

《環球科學》3月刊熱賣中

戳圖片 閱讀原文

立即購買

點選 【在看】 ,及時接收我們的內容更新 

分享到:
「其他文章」