东京大学开发出可自动折叠的 4D 物体

导读：复杂物体的三维打印通常需要很长时间，这是因为在打印过程中需要一层一层的来构建物体。而且打印过程中经常会浪费大量材料来作为支撑结构。研究人员首次将二维打印、折纸和化学结合起来，创造出一种不产生任何废料的快速三维物体制造方法。这些形状可在数秒内自行折叠。

一段时间以来，3D 打印一直被用于产品原型制作，现在越来越多地用于产品的制造，甚至包括喷气发动机的部件。但是，每一种三维制造方法都有其局限性，例如完成打印需要很长时间，或者在打印过程中会浪费残余材料。4D 打印是一个可以缓解这些问题的概念，它使用的材料数量极少，经过挑选的材料具有某些特殊属性，可以在适当的条件下自折叠成复杂的三维形状。之所以称其为 4D 打印，是因为自折叠过程必然要利用时间，而时间通常被称为四维空间。具有讽刺意味的是，快速 4D 打印的新方法始于 2D 领域。

东京大学电子工程与信息系统系的项目助理教授 Koya Narumi 说："我和我的团队发现了如何使用易获得的工具和材料来创建自动折叠的 4D 物体。"从本质上讲，我们是在制作带有折纸图案的平板，而这些图案可能非常复杂，即使是熟练的折纸艺术家也需要花费数小时才能完成。但由于采用了我们的特殊工艺，你可以在这些平板上浇上热水，然后看着它们在几秒钟内就弹出复杂的三维形状。"

这项技术利用了一种特殊的喷墨打印机，这种打印机是专为打印紫外线反应材料而制造的--虽然这种机器本身的价格可能高达数万美元，但在创客社区和共享工作室中却经常能见到它们的身影。这种打印机可以将二维折纸设计打印到塑料板的两面，塑料板受热后会收缩。它使用的墨水不会收缩，干燥后可以保持弹性。由于基片在加热时会收缩，而油墨会抵制收缩，因此设计者可以通过在一侧或另一侧的油墨部分之间留出间隙，来控制基片上某一部分的折叠方式。使用热水对平板进行加热，使其自发折叠成复杂的折纸结构。

Narumi 说："我们面临的最大挑战是改进硬件和材料的选择，花了一年多的时间才缩小到最终的选择范围。"但所有的尝试和错误都是值得的；与以前围绕同样基本想法进行的研究相比，我们的输出分辨率提高了 1200 倍，这意味着我们能创造的设计不仅仅是新奇的东西，而且可以用于实际应用。未来，我们可能会探索导电或磁性油墨等功能性材料，从而实现机器和其他功能性设备。

Narumi 和团队希望这项创新能在时尚等各个领域得到应用，因为在这些领域，材料浪费往往很严重，尤其是在追求定制设计的领域。不过，由于预先折叠的形状是完全平整的，因此在物流或存储紧张的任何情况下，这项技术都有用武之地。打印好的设计甚至可以邮寄出去，然后收件人可以将其加热，变成他们订购的东西。在灾后恢复领域甚至也可以使用这种技术，因为灾后恢复需要某些物品（可能包括医疗物品），但往往难以运输，而如果所需的物品基本上是扁平的，运输就会变得容易得多。

论文：
"Inkjet 4D Print: Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing," ACM Transactions on Graphics: July 24, 2023, doi:10.1145/3592409 .