我們通常只能打印出平面的點陣結構，但在改變材料周邊的溫度后，可以將平面變形成人臉等立體形狀。圖中的人面輪廓仿照了卡爾·弗里德里?！じ咚?Carl Friedrich Gauss)的臉部特點

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“4D材料”有可能是3D打印領域下一個研究熱點。我們并不需要改變已有的制造技術來獲得它，并且可以通過調控濕度、溫度等環境因素來讓它變化形狀。因此，“4D材料”有時也被稱為活性折紙或者變形系統。麻省理工學院(MIT)的科學家們已經成功制備出數種新型扁平結構，相比之前的一些工作，這些結構可以變形成人臉等更加復雜的形狀。去年十月份的《美國科學院院刊》( PNAS )刊載了他們的研究成果。

印的研究有很多，但之前研究者提出的很多方法只能使材料變形成簡單的立體結構。這項研究的共同作者、麻省理工學院機械工程學家威姆·范·里斯設計出一種能夠將薄型平板塑造成球形、圓頂形等較復雜形狀的理論方法，他甚至做出了人臉的輪廓?！拔乙婚_始只是想要做出像人臉那樣的復雜的三維形狀，然后我就問了自己一個問題，‘要怎樣做才能把原料變成那種形狀呢？’”，他說道，“這是逆向設計中遇到的一個難題?！?/span>

不過他剛開展研究時并未受到這個問題的困擾，因為那時的理論假設是所用的平板材料可以無限伸縮。然而實際上，材料都有各自的伸縮范圍，無法自由變化，這就是19世紀數學家卡爾·弗里德里?！じ咚?Carl Friedrich Gauss)首次提出的“雙曲率”問題。

1828年，高斯發表了《關于曲面的一般研究》，并提出“絕妙定理“(remarkable theorem)，他認為物體表面的曲率只與角度和距離有關。這意味著當你彎曲一個物體時，它的表面曲率不會發生變化。也就是說，你要想優雅地吃一片披薩，不如把它對折起來，因為它的硬度隨厚度增大而提高了?！苯^妙定理“也解釋了瓦楞紙箱的硬度、品客薯片嘎嘣脆的原因，科學家們也是根據這個定理得出宇宙是平坦的結論。

不過，“絕妙定理“也有局限性：它要求物體表面不能進行拉伸，收縮或撕裂等動作，否則當平面變形為具有不同高斯曲率的復雜形狀時就會產生問題。范·里斯將這個挑戰比喻為把足球包裝起來：包裝紙的高斯曲率為零，足球卻是雙曲率。所以要想包裝一個足球，你就必須把包裝紙的側面和底部弄皺折彎；紙張必須在所有需要調整的位置伸展或收縮得恰到好處，這樣才能與足球表面的曲率相同，兩者才能貼合到一起。

為解決平面材料變形過程中曲率的問題，范·里斯和他的同事們決定采用點陣網狀結構代替一開始的薄型平板。他們制作出的網狀結構以一種橡膠作為原料，這種材料會隨著溫度上升而膨脹。網狀結構中的縫隙很多，這樣即使材料表面發生較大變化，它也能很輕松地適應。該團隊使用高斯圖像創建了一個虛擬圖，該圖可直觀顯示出將平面彎曲為人臉輪廓所需要的操作。然后他們設計了一種算法，以便將其轉換為點陣中骨架的正確圖案。

網孔薄板上各部分以不同的速率伸展彎曲，以呈現鼻子或眼窩的形狀。打印好的產品會在烘箱中加熱固化，然后在鹽水浴中冷卻至室溫。經過這一過程，平平的網孔薄板變成了栩栩如生的人臉。另外，這個研究團隊還制作了一個包含導電液態金屬的格柵，它能夠變形成有源天線，其共振頻率也會隨著變形而變化。

這些可變形材料也許有一天會被用來制造僅靠改變溫度（或其他環境條件）就能自行展開和充氣的帳篷。它的潛在應用還包括可變形望遠鏡鏡片，支架，輔助人造組織培養和軟體機器人。

范·里斯說：“我希望這種材料可以得到廣泛應用，比如機器人可以模仿水母通過改變形狀來實現游動功能”。“如果這種材料可以被用作執行器，例如人造肌肉，那么執行器的形狀將會變化萬千，這會給軟體機器人設計帶來顛覆性革命?！?/span>

https://arstechnica.com/science/2020/01/just-change-the-temperature-to-make-this-material-transform-into-a-human-face/

https://www.pnas.org/content/116/42/20856

文章來源：環球科學

IEEE Spectrum

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