出現(xiàn)于上世紀(jì) 90 年代的 3D 打印技術(shù)，能把計算機(jī)上的模型變成實物，可以說是顛覆了人們對傳統(tǒng)生產(chǎn)制造的認(rèn)知。

2015 年，原本任職于 SpaceX 和藍(lán)色起源的兩位 90 后創(chuàng)立了 Relativity Space 公司，旨在 3D 打印出用于商業(yè)軌道發(fā)射服務(wù)的運載火箭。

【火箭發(fā)動機(jī)正在進(jìn)行關(guān)鍵測試】

2017 年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院運用 3D 打印技術(shù)制造出了世界上第一個軟體人工心臟。

疫情期間，由于醫(yī)療防護(hù)物資緊缺，基于 3D 打印技術(shù)的口罩、護(hù)目鏡等一時間也派上了用場。

其實，3D 打印技術(shù)已在模具制造、工業(yè)設(shè)計、航空航天、工程施工、醫(yī)療、教育、地理信息系統(tǒng)、汽車等垂直領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng)用，而 3D 打印通常采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實現(xiàn)，即我們常說的 3D 打印機(jī)。

3D 打印機(jī)雖然在工作原理上與普通打印機(jī)基本相同，但打印材料卻不同——3D 打印機(jī)內(nèi)裝有粉末狀的金屬、陶瓷、砂、塑料等可粘合打印材料。

那么，除了 3D 打印機(jī)，還有什么工具可以實現(xiàn) 3D 造物？ 

最近一組韓國科學(xué)家給出了答案：一支看似平平無奇的馬克筆。

用筆寫下幾個字母，它們在脫離玻璃“畫板”后，竟然有了 3D 立體的樣子。

2021 年 3 月 24 日，相關(guān)研究成果正式發(fā)表于知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)-進(jìn)展》（Science Advances），題為 Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings（直接實現(xiàn) 2D-3D 轉(zhuǎn)換的畫筆）。

論文作者來自韓國首爾國立大學(xué)（Bio-MAX 研究院、電子與計算機(jī)工程系、生物工程跨學(xué)科項目、納米系統(tǒng)研究所）、國立蔚山科學(xué)技術(shù)院（材料科學(xué)與工程系、多維可編程物質(zhì)研究中心）。

一支神筆，兩種材料

無疑，二維制造簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)，但其輸出僅限于平面結(jié)構(gòu)。相比之下，3D 制造的設(shè)計和制造過程相對緩慢、復(fù)雜。

基于此，科學(xué)家們打造 3D 結(jié)構(gòu)的一個思路是 2D 向 3D 轉(zhuǎn)換——也就是說，基于容易制備的 2D 結(jié)構(gòu)，構(gòu)建復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)，從而使得 3D 制造的效率提升、難度降低。此前就有科研團(tuán)隊通過將二維平面薄片折疊、彎曲和組裝，實現(xiàn)了諸如折紙、形狀記憶復(fù)合材料甚至 4D 打印的例子。

思路有了，具體采用什么載體來實現(xiàn)呢？

研究團(tuán)隊想到了二維空間中最具創(chuàng)意、最方便也最常見的思想表達(dá)工具：筆。

他們希望通過開發(fā)一種新型 2D-3D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，將畫筆之下原本的 2D 形狀轉(zhuǎn)換成 3D 物體。

這一方法基于一種形變機(jī)制，研究人員將這種機(jī)制稱為「表面張力輔助轉(zhuǎn)化」（surface tension–assisted transformation，STAT）。

簡單來講就是，畫筆畫下形狀、油墨變干成膜后，受到表面張力驅(qū)動的油墨膜會選擇性從“畫板”上剝離下來。

問題來了，為什么是選擇性剝離呢？

原因就在于研究團(tuán)隊用到的兩種材料：

• 一是含有聚乙烯醇縮丁醛（PVB）樹脂的油墨，在干燥后形成疏水性薄膜。當(dāng) PVB 膜浸入水溶液中，會受毛細(xì)作用力與“畫板”分離，接著受表面張力漂浮在水溶液表面。

• 二是表面催化自由基聚合（SCIRP），即一種高分子涂層，主要用于固定、強(qiáng)化 PVB 薄膜的 3D 結(jié)構(gòu)。

高自由度 2D-3D 轉(zhuǎn)變

實際上，這種方法具有很高的自由度，主要體現(xiàn)在三個方面。

一是它可以在由各種材料制成的“畫板”上制造 3D 結(jié)構(gòu)，比如玻璃、塑料、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、陶瓷、金屬等。

二是“畫板”也不必是平整的表面，石頭、葉子上都可以進(jìn)行 3D 制造。

三是可以在傳統(tǒng) 3D 打印系統(tǒng)難以打印的位置操作。比如研究團(tuán)隊基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上畫下形狀，最終設(shè)計出了“不可能的瓶子”。

需要解釋的是，上面這種“不可能的瓶子”在數(shù)學(xué)領(lǐng)域被稱為是“克萊因瓶”（Klein Bottle），指一種無定向性的平面，在拓?fù)鋵W(xué)中是一個不可定向的拓?fù)淇臻g。

可見，這種形變機(jī)制簡單直觀，并不需要很高的技術(shù)水平來預(yù)測產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，也不需要笨重的設(shè)備。

值得關(guān)注的是，這一方法還可以與傳統(tǒng)印刷技術(shù)相結(jié)合，結(jié)合繪圖（低成本、簡單）和印刷（大批量生產(chǎn)復(fù)制）的特點，比如像下面這樣批量生產(chǎn) 3D 小紅花。

不難想象，未來基于 CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）和自動印刷系統(tǒng)，這種方法將會用于更為精確的大批量制造。

引用來源：

https://advances.sciencemag.org/content/7/13/eabf3804

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