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打印三維物體：哈利·波特的魔杖復(fù)活了

3D打印賦予了普通人強大新穎的設(shè)計和生產(chǎn)工具，人們可以獲得專業(yè)設(shè)計師和制造業(yè)大企業(yè)所獨有的設(shè)計和制造能力。

在未來的3D打印世界里，無論何時何地，人們需要什么就可以打印什么。當(dāng)然，技術(shù)雖然好，也要看人們怎樣應(yīng)用。有人可能會用來制造武器，甚至有毒的新藥。

大多數(shù)人第一次聽到3D打印時，他們就想到了那些老式的、常見的桌面打印機。噴墨打印機和3D打印機最大的區(qū)別是維度問題，桌面打印機是二維打印的，在平面紙張上噴涂彩色墨水，而3D打印機可以制造拿在手上的三維物體。

3D打印機依據(jù)計算機指令，通過層層堆積原材料制造產(chǎn)品。在人類歷史的大部分時間里，我們通過切割原料或通過模具成型制造新的實體物品。

3D打印的技術(shù)名稱是“增材制造”，這是對實際打印過程比較貼切的描述。3D打印獨特的制造技術(shù)讓我們能夠生產(chǎn)前所未有的各種形狀的物品。

3D打印不是一種新技術(shù)，3D打印機已在制造機加工車間默默地工作了幾十年。但在過去的幾年里，由于受到計算能力、新型設(shè)計軟件、新材料、創(chuàng)新推動及互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)步的推動，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速。

計算機在3D打印過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，沒有計算機發(fā)出的指令，3D打印機就會癱瘓。3D打印機正常運作的前提是要輸入一個設(shè)計好的電子藍(lán)圖或設(shè)計文件，它們負(fù)責(zé)告訴3D打印機在哪里放置原材料。

3D打印過程如下：3D打印機在設(shè)計文件指令的導(dǎo)引下，先噴出固體粉末或熔融的液態(tài)材料，使其固化為一個特殊的平面薄層。第一層固化后，3D打印機打印頭返回，在第一層外部形成另一薄層。第二層固化后，打印頭再次返回，并在第二層外部形成另一薄層。如此往復(fù)，最終薄層累積成為三維物體。

3D打印機不像傳統(tǒng)制造機器那樣通過切割或模具塑造制造物品。通過層層堆積形成實體物品的方法從物理的角度擴大了數(shù)字概念的范圍。對于要求具有精確的內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設(shè)計，3D打印機是首選的加工設(shè)備，它可以將這樣的設(shè)計在實體世界中實現(xiàn)。

3D打印部件和產(chǎn)品正在蔓延到日常生活中。你的汽車儀表盤的設(shè)計就借助了3D打印原型，確保各部件緊密地配合在一起。如果你戴助聽器， 3D打印可以使用光學(xué)掃描數(shù)據(jù)，捕捉你內(nèi)耳的精確形狀，實現(xiàn)定制生產(chǎn)。

牙科診所借助X射線不到一個小時就可以打印定制牙冠。在體內(nèi)安裝用鈦和陶瓷打印的假膝蓋已經(jīng)風(fēng)靡世界。如果你有幸乘坐波音公司的新型飛機——波音787“夢想飛機”，你已經(jīng)將生命托付給至少32種3D打印的部件。

3D打印技術(shù)的秘密可以概括如下：就將復(fù)雜設(shè)計變成實體物品而言，3D打印機比其他生產(chǎn)模式（如人工生產(chǎn)或機器生產(chǎn)）更精確、更通用，可以將一個復(fù)雜的設(shè)計通過組合不同的原材料以過去不可能的方式制造成實物。

如今，一般家用3D打印機可以制造鞋盒大小的塑料物品。工業(yè)領(lǐng)域的3D打印機可以制造大到汽車、小到肉眼幾乎無法看到的針頭等物品。有些研究人員開始嘗試用3D打印機打印小型房屋大小的混凝土結(jié)構(gòu)。而在微觀的角度，另外一些研究人員已經(jīng)打印出肉眼幾乎看不到細(xì)節(jié)的物體。

走向數(shù)字化和模擬化：跨越虛擬世界和實體世界的鴻溝

20世紀(jì)末，信息開始走向數(shù)字化。21世紀(jì)，虛擬世界將與實體世界更緊密地聯(lián)系在一起。

虛擬世界是一個可以在其中自由選擇的地方。在視頻游戲里，人物可以跨越建筑物、長出新的手臂、變身成為不同的實體形狀。虛擬世界也很容易編輯和修訂。雖然改變一棵真樹的樹皮顏色是不可能的事，但在數(shù)碼照片中改變樹的顏色卻很簡單。

3D打印技術(shù)將跨越虛擬世界與實體世界的鴻溝。當(dāng)然，懷疑論者會立即指出，數(shù)字世界和實體世界已經(jīng)有了一些交匯點。畢竟設(shè)計和制造工藝已經(jīng)由計算機驅(qū)動了數(shù)十年，現(xiàn)在大規(guī)模生產(chǎn)幾乎實現(xiàn)了完全自動化（除了最后一步，即勞動密集型裝配流水線）。

虛擬世界和實體世界的融合將是一個緩慢而微妙的過程，這一過程具有階段性。首先，我們要獲取實體物品的形狀；其次，我們上升到新階段，控制其材料組成；最后，我們要控制實體物品的行為。

掌控產(chǎn)品形狀：現(xiàn)實生活中不可能的形狀也能制造

3D打印機可以詳細(xì)闡釋數(shù)字化設(shè)計文件，帶我們到接近充滿豐富的創(chuàng)造力和自由的虛擬世界。如果你看動畫片，顯然，屏幕上的畫面就是在用計算機設(shè)計的：恐龍在現(xiàn)代化的地鐵站里漫步，狀如禿鷹的飛行機器戰(zhàn)士用致命激光掃射所經(jīng)之處。

如果影片在動畫和現(xiàn)實之間來回切換，對觀眾來說，在計算機繪制的充滿豐富想象的多彩世界和現(xiàn)實生活中顯然有一個明確的界限。欣賞3D打印的前景和風(fēng)險的方法之一是思考掌控材料世界的鐵律。由于3D打印機分層形成物品，它們可以塑造過去只有在自然界存在的形狀，曲線、鏤空與復(fù)雜的內(nèi)腔制造將成為可能。

數(shù)字設(shè)計在計算機屏幕上令人震驚，但理論上被制造出來后隨時會坍塌，因為它不能突破重力和材料限制。相比之下，數(shù)字世界讓我們放飛想象的翅膀，自由創(chuàng)造。數(shù)字世界急需制造出現(xiàn)實生活中不可能的形態(tài)。

控制材料構(gòu)成：實體物品能不能也變成數(shù)字世界的“1”和“0”

在融合的第二階段，3D打印會給我們帶來對物質(zhì)構(gòu)成和材料構(gòu)成的精確控制。多材料3D打印機將為新產(chǎn)品的生產(chǎn)打開大門，這種新產(chǎn)品由嚴(yán)格控制的原材料構(gòu)成，其整體性能將大于部分之和。

試想在一個水彩調(diào)色盤中，將藍(lán)色和黃色混合，可以形成無數(shù)深淺不同的綠色。在自然界中，22種氨基酸以不同的方式組合，創(chuàng)造出可以形成驚人物種的蛋白質(zhì)。配備精確的設(shè)計文件的多材料3D打印機，可以將熟悉的原材料混合成全新的組合。

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，我們將看到很多由當(dāng)前不可行的材料混合制成的物體。我們將看到可以自我修復(fù)的機器部件，或者看到可以將其長度延伸近10倍的無線網(wǎng)格。醫(yī)療設(shè)備將對特定病人的血型做出回應(yīng)，或檢測其體溫變化。

控制材料組成的第二個渠道與第一個稍有不同。有一天3D打印機會制造出可控的材料。在虛擬世界中，所有的信息無論多么復(fù)雜，最終都可歸結(jié)為它的本質(zhì)，那就是兩個基本單位：1或0。相反，實體物品由豐富的、非模塊化的螺旋結(jié)構(gòu)的原材料制成，它的基本單位是原子，不那么規(guī)則且難以控制。由于材料在實體世界具有多樣性，很難有意義地捕捉數(shù)字形式的“模擬”材料。結(jié)果是，模擬材料很難被精確地復(fù)制、控制和編程。

不兼容的原子是制造商的噩夢。誠然，3D打印機不能粉碎開放的原子，使它們更具可塑性。但是，3D打印機可以做的是將一度不能兼容的原材料巧妙地結(jié)合在一起，打印成單一的物品。

打印智能物品：機器人將過時

拿廚房的木桌為例，如果你用光學(xué)掃描儀掃描它的外表面，你可以把掃描獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成設(shè)計文件。一旦將桌子的實體尺寸轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，就可以輕易使用設(shè)計軟件暫時獲得對桌子設(shè)計的控制。

你可以先編輯桌子的設(shè)計文件，然后3D打印出一張新桌子。然而，除非你用數(shù)十億個體素進(jìn)行打印，否則新桌子將是模擬的。它的材料、它的部件和組片將仍然是原生的、非智能的、連續(xù)的和被動的。如果你能用體素3D打印出新桌子，那么新的世界可能就會出現(xiàn)。

體素催生出活躍的智能原材料。與今天我們能3D打印的非智能部件不同，未來我們能打印出智能系統(tǒng)，例如一部可使用的手機。3D打印機將創(chuàng)造出智能面料、現(xiàn)成機器人的生命形式和能夠?qū)W習(xí)、響應(yīng)和思考的機器。我們可以打印帶有數(shù)字智能內(nèi)涵的實體物品。

未來有一天，3D打印將把人工智能從計算機拓展到現(xiàn)實世界，機器人將成為過去時。半機器人在20世紀(jì)90年代就成為文化遺跡，未來取決于可以編程的物質(zhì)以及本質(zhì)可以編程并可以被3D打印的原材料。

麻省理工學(xué)院教授尼爾·格申費爾德在《當(dāng)鞋子開始思考》一書中預(yù)言，可編程物質(zhì)有自己的思想。數(shù)字處理能力將真正地找到自己的腿，走進(jìn)物質(zhì)世界。3D打印可編程物質(zhì)將形成自己的實體，具備機械和觸覺能力。

也許有一天，3D打印機器人的生命形態(tài)會被具有電池、傳感器和電路大腦的3D打印機打印出來。新生的3D打印機器人將從打印臺上邁出不太穩(wěn)當(dāng)?shù)牡谝徊?，并讓自身的電路學(xué)習(xí)周圍的運行方式。也許有一天3D打印機器人會使用它們的3D打印機發(fā)明新功能，給它們的“生育機器”做體檢來校驗或替換打印部件。

（摘自中信出版社《3D打?。簭南胂蟮浆F(xiàn)實》 作者：[美]胡迪·利普森 等 譯者：賽迪研究院專家組）