韩国科学家要用这支马克笔 送你一朵3D打印小红花

出现于上世纪 90 年代的 3D 打印技术，能把计算机上的模型变成实物，可以说是颠覆了人们对传统生产制造的认知。2015 年，原本任职于 SpaceX 和蓝色起源的两位 90 后创立了 Relativity Space 公司，旨在 3D 打印出用于商业轨道发射服务的运载火箭。

【火箭发动机正在进行关键测试】

2017 年，瑞士联邦理工学院运用 3D 打印技术制造出了世界上第一个软体人工心脏。

疫情期间，由于医疗防护物资紧缺，基于 3D 打印技术的口罩、护目镜等一时间也派上了用场。

其实，3D 打印技术已在模具制造、工业设计、航空航天、工程施工、医疗、教育、地理信息系统、汽车等垂直领域受到了广泛应用，而 3D 打印通常采用数字技术材料打印机来实现，即我们常说的 3D 打印机。

3D 打印机虽然在工作原理上与普通打印机基本相同，但打印材料却不同——3D 打印机内装有粉末状的金属、陶瓷、砂、塑料等可粘合打印材料。

那么，除了 3D 打印机，还有什么工具可以实现 3D 造物？

最近一组韩国科学家给出了答案：一支看似平平无奇的马克笔。

用笔写下几个字母，它们在脱离玻璃“画板”后，竟然有了 3D 立体的样子。

2021 年 3 月 24 日，相关研究成果正式发表于知名学术期刊《科学-进展》（Science Advances），题为 Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings（直接实现 2D-3D 转换的画笔）。

论文作者来自韩国首尔国立大学（Bio-MAX 研究院、电子与计算机工程系、生物工程跨学科项目、纳米系统研究所）、国立蔚山科学技术院（材料科学与工程系、多维可编程物质研究中心）。

一支神笔，两种材料

无疑，二维制造简单，适合大规模生产，但其输出仅限于平面结构。相比之下，3D 制造的设计和制造过程相对缓慢、复杂。

基于此，科学家们打造 3D 结构的一个思路是 2D 向 3D 转换——也就是说，基于容易制备的 2D 结构，构建复杂的 3D 结构，从而使得 3D 制造的效率提升、难度降低。此前就有科研团队通过将二维平面薄片折叠、弯曲和组装，实现了诸如折纸、形状记忆复合材料甚至 4D 打印的例子。

思路有了，具体采用什么载体来实现呢？

研究团队想到了二维空间中最具创意、最方便也最常见的思想表达工具：笔。

他们希望通过开发一种新型 2D-3D 转换技术，将画笔之下原本的 2D 形状转换成 3D 物体。

这一方法基于一种形变机制，研究人员将这种机制称为“表面张力辅助转化”（Surface tension–assisted transformation，STAT）。

简单来讲就是，画笔画下形状、油墨变干成膜后，受到表面张力驱动的油墨膜会选择性从“画板”上剥离下来。

问题来了，为什么是选择性剥离呢？

原因就在于研究团队用到的两种材料：

• 一是含有聚乙烯醇缩丁醛（PVB）树脂的油墨，在干燥后形成疏水性薄膜。当 PVB 膜浸入水溶液中，会受毛细作用力与“画板”分离，接着受表面张力漂浮在水溶液表面。

• 二是表面催化自由基聚合（SCIRP），即一种高分子涂层，主要用于固定、强化 PVB 薄膜的 3D 结构。

高自由度 2D-3D 转变

实际上，这种方法具有很高的自由度，主要体现在三个方面。

一是它可以在由各种材料制成的“画板”上制造 3D 结构，比如玻璃、塑料、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、陶瓷、金属等。

二是“画板”也不必是平整的表面，石头、叶子上都可以进行 3D 制造。

三是可以在传统 3D 打印系统难以打印的位置操作。比如研究团队基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上画下形状，最终设计出了“不可能的瓶子”。

需要解释的是，上面这种“不可能的瓶子”在数学领域被称为是“克莱因瓶”（Klein Bottle），指一种无定向性的平面，在拓扑学中是一个不可定向的拓扑空间。

可见，这种形变机制简单直观，并不需要很高的技术水平来预测产生的结构转换，也不需要笨重的设备。

值得关注的是，这一方法还可以与传统印刷技术相结合，结合绘图（低成本、简单）和印刷（大批量生产复制）的特点，比如像下面这样批量生产 3D 小红花。

不难想象，未来基于 CAD（计算机辅助设计）和自动印刷系统，这种方法将会用于更为精确的大批量制造。