東京大學開發出可自動折疊的4D物體
時間：2023-07-26 10:42 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：復雜物體的三維打印通常需要很長時間，這是因為在打印過程中需要一層一層的來構建物體。而且打印過程中經常會浪費大量材料來作為支撐結構。研究人員首次將二維打印、折紙和化學結合起來，創造出一種不產生任何廢料的快速三維物體制造方法。這些形狀可在數秒內自行折疊。
一段時間以來，3D 打印一直被用于產品原型制作，現在越來越多地用于產品的制造，甚至包括噴氣發動機的部件。但是，每一種三維制造方法都有其局限性，例如完成打印需要很長時間，或者在打印過程中會浪費殘余材料。4D 打印是一個可以緩解這些問題的概念，它使用的材料數量極少，經過挑選的材料具有某些特殊屬性，可以在適當的條件下自折疊成復雜的三維形狀。之所以稱其為 4D 打印，是因為自折疊過程必然要利用時間，而時間通常被稱為四維空間。具有諷刺意味的是，快速 4D 打印的新方法始于 2D 領域。
東京大學電子工程與信息系統系的項目助理教授 Koya Narumi 說："我和我的團隊發現了如何使用易獲得的工具和材料來創建自動折疊的 4D 物體。"從本質上講，我們是在制作帶有折紙圖案的平板，而這些圖案可能非常復雜，即使是熟練的折紙藝術家也需要花費數小時才能完成。但由于采用了我們的特殊工藝，你可以在這些平板上澆上熱水，然后看著它們在幾秒鐘內就彈出復雜的三維形狀。"
這項技術利用了一種特殊的噴墨打印機，這種打印機是專為打印紫外線反應材料而制造的--雖然這種機器本身的價格可能高達數萬美元，但在創客社區和共享工作室中卻經常能見到它們的身影。這種打印機可以將二維折紙設計打印到塑料板的兩面，塑料板受熱后會收縮。它使用的墨水不會收縮，干燥后可以保持彈性。由于基片在加熱時會收縮，而油墨會抵制收縮，因此設計者可以通過在一側或另一側的油墨部分之間留出間隙，來控制基片上某一部分的折疊方式。使用熱水對平板進行加熱，使其自發折疊成復雜的折紙結構。
Narumi 說："我們面臨的最大挑戰是改進硬件和材料的選擇，花了一年多的時間才縮小到最終的選擇范圍。"但所有的嘗試和錯誤都是值得的；與以前圍繞同樣基本想法進行的研究相比，我們的輸出分辨率提高了 1200 倍，這意味著我們能創造的設計不僅僅是新奇的東西，而且可以用于實際應用。未來，我們可能會探索導電或磁性油墨等功能性材料，從而實現機器和其他功能性設備。
Narumi 和團隊希望這項創新能在時尚等各個領域得到應用，因為在這些領域，材料浪費往往很嚴重，尤其是在追求定制設計的領域。不過，由于預先折疊的形狀是完全平整的，因此在物流或存儲緊張的任何情況下，這項技術都有用武之地。打印好的設計甚至可以郵寄出去，然后收件人可以將其加熱，變成他們訂購的東西。在災后恢復領域甚至也可以使用這種技術，因為災后恢復需要某些物品（可能包括醫療物品），但往往難以運輸，而如果所需的物品基本上是扁平的，運輸就會變得容易得多。
論文：
"Inkjet 4D Print: Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing," ACM Transactions on Graphics: July 24, 2023, doi:10.1145/3592409 .
一段時間以來，3D 打印一直被用于產品原型制作，現在越來越多地用于產品的制造，甚至包括噴氣發動機的部件。但是，每一種三維制造方法都有其局限性，例如完成打印需要很長時間，或者在打印過程中會浪費殘余材料。4D 打印是一個可以緩解這些問題的概念，它使用的材料數量極少，經過挑選的材料具有某些特殊屬性，可以在適當的條件下自折疊成復雜的三維形狀。之所以稱其為 4D 打印，是因為自折疊過程必然要利用時間，而時間通常被稱為四維空間。具有諷刺意味的是，快速 4D 打印的新方法始于 2D 領域。
東京大學電子工程與信息系統系的項目助理教授 Koya Narumi 說："我和我的團隊發現了如何使用易獲得的工具和材料來創建自動折疊的 4D 物體。"從本質上講，我們是在制作帶有折紙圖案的平板，而這些圖案可能非常復雜，即使是熟練的折紙藝術家也需要花費數小時才能完成。但由于采用了我們的特殊工藝，你可以在這些平板上澆上熱水，然后看著它們在幾秒鐘內就彈出復雜的三維形狀。"
這項技術利用了一種特殊的噴墨打印機，這種打印機是專為打印紫外線反應材料而制造的--雖然這種機器本身的價格可能高達數萬美元，但在創客社區和共享工作室中卻經常能見到它們的身影。這種打印機可以將二維折紙設計打印到塑料板的兩面，塑料板受熱后會收縮。它使用的墨水不會收縮，干燥后可以保持彈性。由于基片在加熱時會收縮，而油墨會抵制收縮，因此設計者可以通過在一側或另一側的油墨部分之間留出間隙，來控制基片上某一部分的折疊方式。使用熱水對平板進行加熱，使其自發折疊成復雜的折紙結構。
Narumi 說："我們面臨的最大挑戰是改進硬件和材料的選擇，花了一年多的時間才縮小到最終的選擇范圍。"但所有的嘗試和錯誤都是值得的；與以前圍繞同樣基本想法進行的研究相比，我們的輸出分辨率提高了 1200 倍，這意味著我們能創造的設計不僅僅是新奇的東西，而且可以用于實際應用。未來，我們可能會探索導電或磁性油墨等功能性材料，從而實現機器和其他功能性設備。
Narumi 和團隊希望這項創新能在時尚等各個領域得到應用，因為在這些領域，材料浪費往往很嚴重，尤其是在追求定制設計的領域。不過，由于預先折疊的形狀是完全平整的，因此在物流或存儲緊張的任何情況下，這項技術都有用武之地。打印好的設計甚至可以郵寄出去，然后收件人可以將其加熱，變成他們訂購的東西。在災后恢復領域甚至也可以使用這種技術，因為災后恢復需要某些物品（可能包括醫療物品），但往往難以運輸，而如果所需的物品基本上是扁平的，運輸就會變得容易得多。
論文：
"Inkjet 4D Print: Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing," ACM Transactions on Graphics: July 24, 2023, doi:10.1145/3592409 .
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