3D打印技术：让世界充满无限可能

康奈尔大学创意机器人

实验室主任 胡迪·利普森

    今天我想给大家讲讲关于制造方面的问题，具体的是关于接下来的几十年会改变我们生活的一件事。我们作为人类，痴迷于制造，几千年前的早期人类，以及千年之后，人们制造东西的方式是有一些相近的，只是使用了更加复杂的材料，更多的部件。

3D打印的兴起

    可能从一百年前开始，我们制造工具的速度就越来越快，虽然我们的制造方式没有太大的变化，但是我们的工具却越来越好。然而，就算是我们可以设计很多东西，但我们的制造能力比起自然的制作能力还是相差很远，特别是在一些物体的复杂度方面。为什么会有这样的情况？为什么我们人造的机器、设计，尽管它们已经经历了多年的改善还是没有办法追赶自然的步伐呢？我觉得其中一个原因就是在千年以来，我们设计东西都是通过一些简单的部件把它变成结构，在某种程度上没有形成规模，越想生产更多的产品，需要的部件就越多，你也就需要更多的精力要把这些部件结合在一起。这点和自然在制造东西时很不一样，因为它们是同时完成所有部件的制造，这就是一个要改变的地方。

    新的制造技术，像3D打印，使得我们第一次可以把所有部件组合在一起进行制造。我们如果想制作一个产品，或者在一个部件上增加几个刀片，现在只需要打印就可以完成，过程并不复杂。它可以使用机器人的手臂来制作出这样的物体，而且它不需要进行组装，不需要进行工业部件的生产。当我们能够把多种材料结合在一起制造出一些新材料，将更令人振奋，这是我们未来的前景。这种前景如何实现，关键在于我们的制造能力如何与我们的人工智能结合在一起。

    那么，这项技术该如何实现，如何才能使世界有所不同呢？大家都知道3D打印机，近期3-5年的时间里，3D打印技术飞速发展，所有人都在讨论3D打印。我对3D打印就非常感兴趣，这是因为我想制造一些机器人，并且希望制造出的机器人能够更加智能，希望它能和人类一样做事。很多人设计机器人的时候是把部件组合在一起，他们是针对这些部件对机器人进行工程化。现在，我想采取不同的方式，希望能够实现机器人的育种，把所有机器人的一些骨骼或者是一些电线，使用演进的方式，通过一个简单、基本的模拟器，把这些东西放在一起来制造出一些机器人。一开始我们进行随机的组件，结果证实这是不行的。后来不断进行尝试，最终发现有一些部件可以通过某种方式组合在一起，能够产生出一些像手掌一样的部分，最后我们就可以完整的制作机器人了。

    从机器人的诞生到掌握多种技能，是需要经过不断地演进和发展的。机器人的设计和制造也经过了一段漫长的发展过程。现在，随着3D打印技术的兴起，我们已经可以实现机器人的自动设计和自动制造。也是因为3D打印技术的发展，才得以实现我们对机器人的诸多设想，如智能化、规模生产等等。现在，机器人的机体、线路，以及所有的部件都可以通过3D打印的方式进行制造。之前，由于打印机价格非常昂贵，以及打印机自身技术的限制，使得我们很难完成一些制造技术。由此，我们想创造一个开源的打印机，从而实现所有蓝图和代码下载，以及可以采取多种材料进行打印。

    开源的打印机出现以后，使得打印机的价格越来越便宜。因为有了开源的3D打印机以后，可以加深创造技术的意识程度。另外一点，是材料范围的拓展。2000年，我们可以打印的唯一材料就是塑料，实际上这些材料如果来生产一些物理部件是比较困难的，现在基本上可以用任何材料进行打印。你可以用一些钛金属进行打印。甚至可以用陶瓷进行打印，你可以用木头、玻璃、水泥、纸来进行打印。所以这样一个材料方面的拓展，真正地变革了我们的3D打印行业。这些材料可能只有一粒沙子那么大，却可以打印出一些建筑级别的物体。现在的应用级别在不断上升，可以进入到任何一个领域，所以我对3D打印感兴趣是因为它和机器人密切相关。

    由于机器人的机制和内部部件都可以通过3D打印机打印完成，那么，我们在设计机器人的过程中就不用去担心太多。我们可以直接将电机装进已经打印完成的机器人机体中，从而完成机器人组装。

    除此之外，我还想让大家记住一点，因为现在所有的东西，任何的一个地方都受到3D打印技术的影响，比如在教育、艺术、珠宝设计等方面。这项技术的进入，可以使人们打印更加复杂的东西，并且不需要用老的办法来设计、组装。比如说一个使用活细胞打印出来的膝盖，通过三个月的孵化，最后可以打印成一个真正的身体部件。我相信在三年的时间内可以看到生物打印的临床应用。我们还可以通过3D打印进行食物营养控制，可以进行食谱规划。

3D打印引领行业变革

    我写过3D打印方面的书籍，也访问过一些美国人，我听过很多关于这个技术如何来进行使用的故事。尽管我们与很多的人进行了交流，但是很多人在不同的应用中使用这样的技术，最后他们都会有一种同样的驱动力。3D打印技术所产生的颠覆，最后都会影响到你关心的，你感兴趣的一个领域，3D打印会革新你的行业。

    第一，这是一种很好的独特性，存在着一种随意的复杂性。这是什么意思？它代表我们随意打印两个物体，它们的成本是一样的，做出的努力是一样的，花的钱也是一样的，需要的技能还是一样的。一个物体它的形状复杂与否不是很重要，如果我打印一个盒子和打印一个非常复杂的物体所花的时间和成本都是一样的，把一些复杂性增加到形状当中并不会提高你所花的时间和努力，不会增加金钱，不会增加费用。在人类的历史上我们如果去生产更加复杂的东西，总是需要更多的技能，需要花更多的钱。但是现在不一样了，大家可以看到随意的复杂性。以一个空中设备的组件为例，飞机前面的部件和后面的部件都是一样的，但重量是后面重量的一半。飞机利用这个部件重量降低会带来很大的变化，复杂性可以随意的实现。现在波音还有空客，都在考虑利用3D打印飞机组件使将来飞机变得更好。

    第二，品种上的随意。生产技术有规模经济性，生产的越多就越便宜。在3D打印当中打印30个、50个不同的品种，成本上是没有改变的，成本并不随着品种的多样性而上升，这不是说打印是免费的，只是说打印不同的品种，它的成本没有上升。一个很好的例子，就是一些人带的牙齿矫正器。由于每一个牙齿的装备都是不一样的，这就需要打印出各种类型的矫正器，不过成本并不会增加。我们必须利用3D打印机打印出这么多品种的东西，其它的技术是无法这样做的。有时候人们问我，什么时候3D打印机会和批量打印达到同样的效益？这样的问题问的是不对的，真正的问题应该是说，这里存在着什么样的真正机会，在什么时候3D打印机可以帮我们带来随意的品种和随意的复杂性。

    第三，无需装备，就可以降低复杂性。大部分产品的成本都是涉及到劳动力的组装成本，不是零部件本身的成本，而是劳动手工组装的成本，而我们通过进行3D打印可以降低人工组装成本。我们打印一些真正的东西，这些东西对我们将来的生活会有着巨大的影响，我们不是进行组装零件，而是直接打印出一个整体。

    第四，零间隔的时间。指的是从最开始生产一直到批量生产的时间。我们总是想去减少间隔时间，可以把间隔时间降到零，这样我们就可以获得更好的经济效益。很多的学生一夜之间就可以进行很多重复，生产出的东西是其它方式都无法生产出来的。而且其它公司也可以进行很多创新，我的学生一夜之间又可以进行数十个创新，可以进行预装，间隔的时间非常短。

    第五，零限制。人们现在利用一种非常激动人心的方式进行产品的生产，并不是意味着复杂是免费的。我的意思是说除了3D打印机以外，其它的方式无法生产出这样复杂的东西。你知道几何形状是没有限制的，并可以随意设计的，没有其它的方式可以生产出这样的东西，不管是随意还是非随意的。

    第六，零技术制造。小学的学生都可以在课堂上生产和制造这些东西，而且他们不需要接受任何的培训。很多人都可以利用3D打印机生产飞机的零部件，而它们不需要获得生产和制造方面的技能培训。这些人可以去生产一些他们本来不能生产的东西。

    第七，轻便手提制造工具。这样的打印机大家可以轻便的手提，像一些造型机一样。新技术会颠覆生产方式，会颠覆供应链，也会颠覆我们的分销网。现在所谈的是真正的批量生产，这样的零部件可以很快地生产出来，配送给你们，这是一种分布式的制造，是以前没有遇到过的。

    第八，生产废料少。金属方面，我们生产的时候产生的废料很有限，在过去进行金属生产的时候有大量的废弃料，我们现在只利用我们可以利用的材料。

    第九，无限的材料色度。就像把不同的材料放在一起产生出新的材料一样。我们现在真的可以追赶上大自然，我们可以同时打印不同的细胞，这些物体可以自己生长，可以和自然生产出来的东西一样。

    第十，可以精准重复，可以快速地进行创新。不过，很多人可能会担心知识产权的问题，因为有一些物体可能是被复制的。现在所有这一切都已经发生，我们接下来发展的轨迹应该是怎样的呢？我给大家讲三个阶段，很多人觉得也许现在是处于技术峰值顶端，将来会感到失望。但是我觉得我们现在只是处于一个颠覆性征程的起点，现在我们可能是处于技术发展第一阶段的末端，这三个阶段有哪些呢？

    第一个阶段，自由的创造新形状。通过计算机描述出来的任何一个形状，我们都可以打印出来，这在人类的历史上是一个巨大的突破。过去可以想象很多的形状，但是生产不出来，因为这些形状太复杂，需要太多的技能，也需要太多的资源还有时间。但是现在只要计算机可以描述出来这样的形状，我们就都可以打印。但是这里也有挑战，大部分人无法设计，或者说无法通过计算机描述形状，这仍然是一个很大的缺口。将来将会怎样呢？人工智能在这个方面可以发挥作用，人工智能可以帮我们进行设计，大家在家里可以进行想象，你需要一个新的支架在墙上把支架装上去，我们可以不在互联网购买支架，我们可以找到打印机。这是我的墙，我需要这样的支架帮助我支撑多重的东西。你通过相关的设计软件帮助你进行设计，这里你可以看到是一种或多或少实时的设计。材料的特性给你提供最优化的设计，我觉得这只是我们征程的起点。

    第二个阶段，创造新材料。大部分的3D材料不会去创造新材料，不过，可以把不同材料，按照不同的方式组合在一起，生产出新的材料。有一种3D打印出来的皮毛，非常精细非常软。现在可以想象一下我们能够手工组装这样的东西，过去我们必须要进行手工的设计，而现在我们就可以利用3D打印机打印出这样的材料，有可选的空间和结构。还有泡沫等。

    第三阶段，3D打印可以创造新的活动材料和系统。不仅仅可以打印那些被动的部件，还可以打印一体整合的系统。我们还是希望可以打印机器人，现在只是打印了机器人的身体，还没有把电池还有线路打印出来。大家可以想象一下，有一天你需要一个新的摇控器，或者说一个新的手机，你的设备可以帮你把这些材料打印出来，把这些材料给它组装，最后形成你想要的产品。

3D打印前景广阔

    我们真的希望将来我们能够打印机器人。我们可以思考一下在遥远的将来，也许十年，三十年，五十年之后的机器人，不会有很多的组建组成，不会通过人类在桌面上设计，然后最终像传统工程一样组装成机器人。将来的设备，它的设计生产和制造是自动产生，自动完成的，最终所有这些材料和机器人的组成部分都是打印出来，同时组装，同时完成。

    比如说有人让我们设计一个机器人，有四种可用的材料，材料可以延展，也可以被挤压，从而来进行设计。不同的机器人，可以选择不同的系统，把几百、几万个机器人组合在一起，通过一个基本的模拟器，它们不是人类设计出来的，它们是由机器智能设计出来，并最终实现自动活动。我们之前没有谈到如何使人工智能进入机器人的体内，这些机器人不是通过工程师编程，它们是自己进行自行学习。它们可以随着时间的发展，能够渐渐地进行自我学习。总体来讲，现在很多人谈3D打印机，可能它像是这样一个比较高端的曲线。人们可能会谈3D打印到底能如何往上发展，很快我们看到它会遭遇到逐渐下滑的一个状况，最后会停留在中间的位置。很多人不断地问我说，3D打印到底会不会消失，或者会不会最终不见。我可以告诉大家的是，我认为这项技术会保留下来，因为有一些技术没有按照这样的上升曲线发展。有一些技术的本质是指数性的增长，它们在不断发展，不断往前进。我认为3D打印就是这样的技术之一，不断与机器智能结合在一起，促进我们不断往前发展，使我们可以制造出一些更加有意思，更加复杂的东西。

    为什么我这样想？如果回顾大多数的工业革命，我们会看到有一定的共同点。大多数的工业革命都是在出现一些大障碍，或者大的事业需求的时候发生的。第一次的工业革命是随着电力成本逐渐降为零，随着在蒸汽机出现以后，电力变得便宜，出现了更多的创新。第二次工业革命是在计算的成本降为零的时候，在电子计算机真正引入之前，可能人们一个小时只能计算几百个数字的，现在有了计算机可以一小时计算好几十亿的数字，这会造成这一项技术的指数性增长。第三次工业革命是当通信成本下降的时候，几十年之前不同地区之间进行信息交流很慢而且很贵，现在这些信息可以非常安全、便宜地到达。3D打印是将制造的复杂性降为零，以前制造复杂的东西要求时间、规模和精力，现在有了3D打印这种复杂性是完全自由的，我们可以使用3D打印改变所有的东西。

（根据胡迪·利普森教授在百度百家的THEBIG TALK上的演讲内容整理而成）

文/中国信息化周报