超精细蚀刻、机械手演奏、粪便变扳手……都是3D打印做到的!

很难想象,距离第一台商用3D打印机已经过去30多年了。

这种从诞生之初就让人惊叹的黑科技,一直在革命着人类的整个制造业。3D打印无需像传统工艺一样,将一整块材料切割、挖空,而是一层一层把材料附上去,直接得到想要的形状。这就意味着,只需要数字文件,你就能打印出自己想要的物体,无论是玩具,还是可供移植的假肢、器官。

如今,随着光固化等技术的成熟,以及打印材料变得更加便宜,3D打印已经渗入到各个行业,比如建筑、教育、医疗、制造等等。不过,除了常规应用,科学家们仍在不断地对3D打印进行技术革新,致力于开发出可以打印的玻璃和金属材料,并让3D打印进军纳米和大型制造行业。

看看下面几个案例,它们有没有启发你玩出脑洞大开的产品呢?

超微小3D打印——比头发丝还小

基础的实验室设备就可以生成超迷你3D打印物件。图片来源:Ed Boyden和同事

要想直接制作非常小的物件很困难,但有个很简单的点子:先做大,再缩小。

这就是称为“内爆制造”的3D打印技术背后的理念。这一方法可用于生产各种不同形状的物品,且适用于不同的材料,比如塑料、金属甚至DNA。

 利用“内爆制造”创造出的一个3D模型。图片来源:Ed Boyden和同事

麻省理工学院的神经科学家艾德·博伊登(Ed Boyden)和同事们发现,他们可以通过逆转现有技术来完成这项工作。此前,为了放大脑组织中的一些小细节,他们开发了一种方法——将其嵌入另一种材料后再放大。现在,把这一过程反过来,就给予了他们把大的东西变小的机会。

为了测试这个想法,研究人员用聚丙烯酸酯(一种用于尿布的吸收材料)制作支架,并通过激光将分子粘附到锚点上,在内部构建厘米大小的结构,然后通过加酸将它们收缩至原始体积的千分之一。

研究人员使用这一方法制作了很多超迷你小物件,比如空心连接立方体和《爱丽丝梦游仙境》蚀刻等。这些物体大概有1立方毫米大,包含约50纳米的结构细节! 

利用“内爆制造”创造的《爱丽丝梦游仙境》,缩小前和缩小后对比图。爱丽丝在缩小前就只有一个头发丝那么宽而已,缩小后就更小了!图片来源:Ed Boyden和同事

但博伊登认为它们还可以变得更小!在一些测试中,他们能够将结构扩展和缩小8000倍。

博伊登表示,内爆制造的一个直接用途可能是制造更小、更高分辨率的光学镜头,例如用于需要大量廉价微型相机的自动驾驶汽车。此外,由于该技术仅需要最基本的实验室设备,因此他认为这一技术将有更广泛的应用。“在20世纪70年代,业余爱好者在家里造出了自己的电脑,”他说,“也许人们现在可以自己制作芯片了。”

3D打印的机械手奏响了《铃儿响叮当》

 今年,一个不能自主移动的橡胶机械手奏响了《铃儿响叮当》,就像《西部世界》的片头那样酷炫。

机器人钢琴家正在学习弹钢琴的基本手法。图片来源:Josie Hughes

实际上,大多数假肢需要复杂的机制来控制大量的活动部位,但这可能“太过了”。比如说,当我们用手弹钢琴或拾取东西时,很多动作其实来自于它们的物理结构与环境的相互作用。正如剑桥大学的乔西·休斯(Josie Hughes)所说:“手自有其智慧。”

一只手的动作究竟在多大程度上取决于其形状,而不是大脑如何控制它?为了搞懂这个问题,休斯等人用塑料骨头和橡胶状韧带3D打印了一只手,它的大小和真手一般,就像是万圣节的恶作剧装饰品。他们将骨架连接到机械臂上,机械臂可以上下移动来敲击琴键。 

结果令人震惊。这只僵硬的手仅仅通过调整方向,就能做出多种不同的动作。比如,它可以使用拇指在琴键上滑动,进行“滑奏法”的演奏。

接下来,休斯的团队打算将研究更进一步,看看医生是如何用他们的手来做检查的。医生通常用手和手指按压躯干的方法为病人做检查,虽然这背后的机械原理很简单,却可以用来诊断肿瘤。

我们用双手做的事情太多了,从单手轻触到挥出重拳。“如果我们了解每个运动的机制,便能在几个小时内设计并3D打印出特定的手来执行任务。”休斯说,“尝试设计不同的手也同样有趣。如果需要,我们甚至可以3D打印一只有两个拇指的手。”

粪便变塑料:3D打印太空卫生间 

将粪便变成塑料的新方法,似乎可以为移居火星的人们派上用场。

星际旅行者面临两大挑战:如何从地球运输他们需要的工具和设备,以及如何处理他们的废物。因此研究人员想知道,是否存在简单的解决方案来应对这些挑战。

3D打印的定制太空卫生间。图片来源:NASA/Science Photo Library

通过遗传工程改造大肠杆菌,卡尔加里大学的研究者将人类粪便转化为一种塑料——聚羟基丁酸酯。通过使用3D打印机,他们发现这种塑料可以制成像扳手这样的小工具。研究者表示,当你计划太空任务时,你无法预测所需的所有东西。这种塑料的好处就在于,它可以模塑成你想要的任何东西。

但实际上,不仅仅火星上的人能够受益,废物也可以在地球上转化为塑料。此外,与其他塑料不同,聚羟基丁酸酯不是由化石燃料制成,而是可生物降解的,这意味着它对环境更加友好。

你可能已经发现,只要有一台功能足够用的3D打印机和充足的材料,任何人都能打印属于自己的定制化物品。有人预测,3D技术的发展将改变商业的本质,因为最终用户将能够自主打印大部分所需的物品,而不是通过贸易来购买其他人和公司的产品。

其实,能够输出彩色和多种材料的3D打印机已经存在,并且将不断改进,直到能输出功能(电子)产品的程度。随着3D技术越来越广泛的应用,3D打印将改变我们所知的世界。(编辑:EON)

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