資訊科技

4D列印新時代

以嶄新的材料搭配3D印表機,打造能自動組合並依據指令改變狀或功能的物件,可望更節省材料、能源和空間。

撰文/坎貝爾(Thomas A. Campbell)、提比茲(Skylar Tibbits)、賈瑞特(Banning Garrett)
翻譯/甘錫安

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4D列印新時代

以嶄新的材料搭配3D印表機,打造能自動組合並依據指令改變狀或功能的物件,可望更節省材料、能源和空間。

撰文/坎貝爾(Thomas A. Campbell)、提比茲(Skylar Tibbits)、賈瑞特(Banning Garrett)
翻譯/甘錫安

重點提要
■研究可程式物質的重點,在於製作及設計可依據指令改變形狀或功能的物件。
■透過3D列印(又稱積層製造)及可程式物質,能打造出變形機器人、自動成形的人造衛星、自組裝家具與建築物。
■然而以這種方式製作的裝置也可能遭人蓄意破壞,此外,如果可以隨意改變裝置的形狀,也可能造成複雜的智慧財產權問題。

要打造自組裝房屋和變形機器人,往往得從管線這類簡單事物開始。今天,如果我們要在城市中建造輸送自來水的基礎建設,會採用輸送量固定的硬質水管,然後把水管埋在地下。這種方式通常沒什麼問題,除非某個地區需要增加供水量或管線破裂,才必須開挖地面、更換管線。

另一種更佳的方式是,使用能依據指令或在適當水壓下改變形狀的軟質水管,或破裂時能夠自行修復的水管。拜電腦輔助設計(CAD)和材料科學的進展所賜,這樣的水管將得以實現。這些新進展以及隨之而來的新型式設計,將為全世界帶來「可程式物質」(programmable matter),也就是可依據指令自組裝、改變形狀或轉換特性的材料。

科學家已經製作出自組裝機器,不過都是尺寸極小的奈米裝置,用於生化感測器、電子裝置或藥物遞送載體。如果把可程式物質製作成一般尺寸的裝置,我們好奇這會帶來什麼樣的成果?

可程式好處多

有兩種主要的方法能夠達成這個目標,第一種方法是製作獨立的構件(building block),這些構件能夠自動結合或分離,構成更大的可程式結構。另一種方法則以單一完整的方式製作可變形物件,在適當位置裝設鉸鏈、應力點或電路,讓物件結構能夠在特定條件下改變形狀。我們把第二種方法稱為「4D列印」(4-D printing),跟3D列印同樣是把材料層層堆疊後,製作出預先連接的物件。不同之處在於,以4D列印製作的物件,其形狀或特性會隨著時間改變。

可程式物質能做出更節省原料、能源和勞力的物件,例如會自動變成桌子的椅子或具有自動修復能力的軟質水管。有了這類物質,我們可以製作出不需組裝的複雜機器,這類機器在太空等危險環境中格外具有價值。我們可以把十分緊密的小箱子發射到太空,讓它進入軌道後,再重新自動組合成人造衛星。送入太空的其他裝置則可滿足多種需求,舉例來說,太陽能電池陣列可變化成拋物面天線或儲存艙。

不過,可程式物質也可能帶來新的不確定性。想想看一個可隨意變形的世界會有什麼狀況?可變形的機翼可能遭人蓄意破壞;建築物可能因接收到惡意指令而自行解體,危及內部人員的安全。此外,如果產品能夠隨意變形,智慧財產權可能更加複雜,造成專利主管機關完全預料不到的專利問題。因為有這些風險存在,所以現在我們更應該討論這種可能具有變形能力的科技,讓解決方案、控制措施和政策從一開始就有所準備。


不需組裝的裝置


幾位極富想像力的科學家從1990年代初就經常討論可程式物質,但直到2007年,美國國防高等研究計畫署(DARPA)提供資金給可程式物質計畫(Programmable Matter project),這個領域才獲得強大的助力。DARPA提出為期數年的計畫,準備設計及製作微型機器人系統,這些系統可變化成顯示器和特殊天線等大型軍用物件。研究人員把機器人縮小至毫米尺度,相當於鉛筆的寬度。在幾年之內,他們已經成功展示能改變形狀的微型機器人。


本文作者之一提比茲長期研究以4D列印打造不具機器人機構(也就是馬達、線路和電子裝置)的可變形機器。在麻省理工學院(MIT)的自組裝實驗室中,他和同事以特殊聚合物打造浸入水中時會自動形成MIT字形的蛇形物件、可由MIT字樣自動轉變成SAL(自組裝實驗室的縮寫)字形的單股聚合物、能自動摺疊成截角八面體的平薄片、接觸水後會摺疊成曲線摺紙結構的平圓片,以及其他數種物件。


維吉尼亞州立理工學院暨州立大學(Virginia Tech)的威廉斯(Christopher B. Williams)已經能夠在列印特殊彈性結構時,嵌入合金線路和印刷電路。之後,可從外界輸入訊號來觸發彈性結構,改變物件的形狀。這種方法或許還可用於機器人、家具組裝和建築物建造等。


威廉斯和本文作者之一坎貝爾更進一步結合4D列印與奈米材料,他們在列印物件的過程中加入奈米材料,打造出可隨電磁波(可見光及紫外光)改變特性的多用途奈米複合材料。舉例來說,該研究團隊曾經把奈米材料嵌入標有Virginia Tech文字的物件內,使該物件可隨不同光線改變色彩。如果進一步研發,還可在醫療器材中裝入以奈米材料做成的新型感測器,用於檢測血壓、血糖值和其他醫療數據。