南韓科學家用這支麥克筆，送你一朵 3D 列印小紅花

出現於 1990 年代的 3D 列印技術，能把電腦模型變成實物，可說是顛覆人們對傳統生產製造的認知。

2015 年，原本任職於 SpaceX 和藍色起源的兩位 90 後創立 Relativity Space 公司，旨在 3D 列印出商業軌道發射服務的運載火箭。2017 年，瑞士聯邦理工學院運用 3D 列印技術製造出世界第一個軟體人工心臟。

疫情期間，由於醫療防護物資緊缺，基於 3D 列印技術的口罩、護目鏡等一時間也派上了用場。3D 列印技術已在模具製造、工業設計、航空航太、工程施工、醫療、教育、地理訊息系統、汽車等垂直領域受到了廣泛應用，而 3D 列印通常採用數位技術材料列印機來實現，即常說的 3D 印表機。

3D 印表機雖然在工作原理上與普通列印機基本相同，但列印材料卻不同──3D 列印機內裝有粉末狀的金屬、陶瓷、砂、塑料等可黏合列印材料。除了 3D 列印機，還有什麼工具可 3D 製造？

最近一組南韓科學家有答案：看似平平無奇的麥克筆。用筆寫幾個字母，脫離玻璃「畫板」後，竟然變成 3D 立體。

2021 年 3 月24 日，相關研究成果發表於知名學術期刊《科學進展》（Science Advances），題為《Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings》（直接實現 2D-3D 轉換的畫筆）。

作者為南韓首爾國立大學（Bio-MAX 研究院、電子與電腦工程系、生物工程跨學科項目、奈米系統研究所）、國立蔚山科學技術院（材料科學與工程系、多維可編程物質研究中心）研究員。

無疑，2D 製造簡單，適合大規模生產，但輸出僅限平面結構。相比之下，3D 製造的設計和製造過程相對緩慢複雜。

基於此，科學家打造 3D 結構的思路是 2D 轉成 3D──也就是說，基於容易製備的 2D 結構，構建複雜的 3D 結構，從而使 3D 製造的效率提升、難度降低。之前就有科研團隊透過將 2D 平面薄片摺疊、彎曲和組裝，實現諸如摺紙、形狀記憶複合材料甚至 4D 列印的例子。

思路有了，要採用什麼載體實現呢？研究團隊想到 2D 空間最具創意、最方便也最常見的表達工具：筆。

他們希望透過開發新型 2D 轉 3D 技術，將畫筆下原本 2D 形狀轉換成 3D 物體。這基於形變機制，研究人員稱為「表面張力輔助轉化」（surface tension-assisted transformation，STAT）。

簡單來講就是，畫筆畫形狀、油墨變乾成膜後，受表面張力驅動的油墨膜會選擇性從「畫板」剝離。

（Source：Science Advances，下同）

問題來了，為什麼是選擇性剝離呢？原因就在研究團隊使用的兩種材料：

這方法有很高自由度，主要在三方面。一是可在由各種材料製成的「畫板」製造 3D 結構，如玻璃、塑膠、聚二甲基矽氧烷（PDMS）、陶瓷、金屬等。

二是「畫板」不必是平整表面，石頭、葉子都可製造 3D。

三是可在傳統 3D 列印系統難以列印的位置操作。如研究團隊基於聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄膜畫形狀，最終設計出「不可能的瓶子」。

（Source：Science Advances，下同）

這種「不可能的瓶子」在數學領域稱為「克萊因瓶」（Klein Bottle），指無定向性的平面，於拓樸學是不可定向的拓樸空間。可見這種形變機制簡單直覺，並不需很高的技術預測結構轉換，也不需笨重的設備。

這方法還可與傳統印刷技術相結合，結合繪圖（低成本、簡單）和印刷（大批量生產複製）特點，比如像下圖批量生產 3D 小紅花。

不難想像，未來基於 CAD（電腦輔助設計）和自動印刷系統，此方法將用於更精確的大量製造。

（本文由雷鋒網授權轉載；首圖來源：Science Advances）