陳根
4D打印技術(shù),就是在3D打印的基礎(chǔ)上增加一個“時間”的緯度,可以為制造業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療健康等眾多方面帶來顛覆式變革
在我們剛剛開始有點了解3D打印并為之驚嘆的時候,如今的科學(xué)界已經(jīng)開始思考4D打印將如何改變這個世界。
什么是4D打印
我們最為熟知的概念中普遍存在的是2D,也就是在平面上打印,比如打印個文件、圖紙、照片之類,也就是X、Y構(gòu)成的維度。而到了3D打印,通俗的理解就是在X、Y維度的基礎(chǔ)上增加一個Z維度,就構(gòu)成了三維立體。但到了4D打印,所增加的維度不再是X、Y、Z所構(gòu)成的立體維度,而是在這些維度之外所增加的時間維度。
所謂4D打印技術(shù),就是在3D打印的基礎(chǔ)上增加一個“時間”的緯度。所有物體都因時間而存在,物體形狀改變也需要時間。4D打印融入了時間,也就是表示4D打印就是打印出可以隨時間變化而改變的物體。3D打印是預(yù)先建模再打印出成品,而4D打印的邏輯,是把產(chǎn)品設(shè)計通過3D打印機(jī)嵌入可以變形的智能材料中,在特定時間或激活條件下,無需人為干預(yù),也不用通電,便可按照事先的設(shè)計進(jìn)行自我組裝。
4D打印的應(yīng)用前景
從科幻世界走入現(xiàn)實生活的4D打印,將給我們的生活帶來哪些改變?又將給包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等人類社會的各領(lǐng)域發(fā)展帶來怎樣的深遠(yuǎn)影響?
1.4D打印實現(xiàn)工業(yè)制造集約化。我們可以通過工業(yè)4.0或3D打印,將產(chǎn)品由批量化生產(chǎn)向定制化制造轉(zhuǎn)移;而在此基礎(chǔ)上發(fā)展出來的4D打印,則可以在更高層次上解決產(chǎn)品自行組裝的問題,并且增加產(chǎn)品自行創(chuàng)意變化的環(huán)節(jié)。
3D打印技術(shù)的出現(xiàn),對于幫助解決一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計有了更為直接的幫助,包括讓一些結(jié)構(gòu)部件變得更輕盈、更結(jié)實,但無法實現(xiàn)應(yīng)對于外力環(huán)境變化而自我驅(qū)動變化。4D打印技術(shù)的運(yùn)用,將可以滿足不同環(huán)境的變化。比如運(yùn)用4D打印技術(shù)的飛機(jī),在面臨特定環(huán)境變化時可以實現(xiàn)自我分解,以最為理想的狀態(tài)給乘客提供保護(hù);在航天方面也能為人類更深入地探索宇宙奧秘提供更大的便利。
同樣,對于日常的工業(yè)領(lǐng)域而言,4D打印技術(shù)將徹底改變當(dāng)前制造與商業(yè)的業(yè)態(tài)形式;同時還將簡化工業(yè)制造中的繁瑣環(huán)節(jié),將浪費(fèi)降到最低,實現(xiàn)能源利用最大化。
2.大幅降低制造成本并取代人工組裝成本。不論是現(xiàn)代制造技術(shù),還是基于工業(yè)4.0、中國制造2025的新制造技術(shù),對于生產(chǎn)復(fù)雜或者個性訂制產(chǎn)品來說,制造和組裝成本都是偏高的,甚至還會隨著部件的復(fù)雜程度同比例上漲。而在4D打印技術(shù)支持下的產(chǎn)品制造,部件與產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的難易程度將變得不再重要。因為通過對整體產(chǎn)品不同部件進(jìn)行的一體化打印,以及可變形自組裝將讓組裝成本化整為零,由此最大幅度地降低產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本。
4D打印的產(chǎn)品部件,將不再需要廠家或用戶自行組裝。廠商根據(jù)用戶的需要,將所制造的產(chǎn)品運(yùn)送到指定地點放置好后,用戶在需要的時候直接給予介質(zhì)觸發(fā),打印物就會實現(xiàn)自動組裝,這就取代了當(dāng)前依賴人力進(jìn)行組裝搭建或拆解的方式,人力成本也將由此得到釋放。
3.4D打印為人體派駐癌癥疫苗。借助3D打印技術(shù)進(jìn)行一些器官、肢體打印并與患者有效匹配,已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被證實應(yīng)用的可行性。尤其對于一些相對骨質(zhì)的肢體,應(yīng)用3D打印技術(shù)更是不在話下;對于一些軟組織器官,3D打印技術(shù)的應(yīng)用也在不斷嘗試中。
在3D打印技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,4D打印將進(jìn)一步升級腦洞思維、開闊視野格局。甚至,人類對于4D打印的最具顛覆性技術(shù)應(yīng)用,將不是局限于器官、肢體的打印,而是人體細(xì)胞的打印。通過打印這些納米級與人體細(xì)胞類似的藥物細(xì)胞,將相對應(yīng)的癌細(xì)胞病毒設(shè)置為介質(zhì)觸發(fā)源,然后將其注射到人體內(nèi)環(huán)境。那么,當(dāng)這些4D打印的“人體衛(wèi)士”細(xì)胞在體內(nèi)巡邏時,一旦遇到癌細(xì)胞就能觸發(fā)形變,實現(xiàn)點對點的藥物釋放,從而將癌細(xì)胞病毒消滅,并隨人體代謝排出體外。
4D打印在該方面的應(yīng)用,或許將成為人類戰(zhàn)勝癌癥的一條有效技術(shù)通道。由此以后,人類體內(nèi)將常駐“人體衛(wèi)士”——癌癥疫苗,時刻監(jiān)測著體內(nèi)環(huán)境的癌細(xì)胞變化,徹底杜絕癌癥病變的機(jī)會。同樣,對于人類所接觸的一些未知病毒,也可以借助于4D打印技術(shù)以疫苗的形式注射進(jìn)人體進(jìn)行預(yù)防。
4.推動私人訂制向私人工廠邁進(jìn)。在3D打印技術(shù)以前,私人個性化訂制幾乎不太可能,我們所有的消費(fèi)只能基于工業(yè)批量化生產(chǎn)而進(jìn)行。對于制造商而言,他們需要通過對不同零部件及其供應(yīng)鏈的整合,從而進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化生產(chǎn)來降低成本,提升企業(yè)效益,因此很難滿足個性化需求。但到了3D打印時代,滿足消費(fèi)者的個性化需求將成為生產(chǎn)制造的基本要求,甚至根據(jù)用戶的喜好進(jìn)行私人訂制也不再是什么問題。
4D打印出現(xiàn)后,其所改變的將不再只是私人訂制的問題,而是讓每個消費(fèi)者都可以實現(xiàn)自定義工廠、自主化生產(chǎn)。也就是說,未來我們要選用冰箱,將不再是直接購買一臺龐大的冰箱回家,而只需要購買核心的關(guān)鍵部件,甚至連關(guān)鍵部件都可以自己定義到4D打印機(jī)上進(jìn)行打印,通過不同種材料的打印之后,讓其在我們需要的時候,進(jìn)行自動連接并組裝成為我們所設(shè)想和需要的那臺冰箱。當(dāng)然,在我們的需求出現(xiàn)變化的時候,例如我們需要更大的冷凍空間,或要將閑置的保鮮空間縮小,那么冰箱將會自動為我們觸發(fā)組裝,并自我調(diào)整空間大小以適應(yīng)我們的需求。
這與私人訂制存在的最大區(qū)別是,我們不僅可以表達(dá)自己的想法、構(gòu)建自己的生活,還可以借助于4D打印技術(shù)在家里定義屬于自己的創(chuàng)新“工廠”。
5.創(chuàng)新速度將被進(jìn)一步驅(qū)動。傳統(tǒng)工業(yè)制造所面臨的一個問題,就是從產(chǎn)品立項到開發(fā)到上市銷售,通常需要經(jīng)歷一個漫長的周期,短則半年,長則數(shù)年。因為這中間牽涉到批量制造的穩(wěn)定性、模具的制造與壽命等,而這些問題都在不同程度上制約了產(chǎn)品創(chuàng)新的時間周期。endprint
4D打印技術(shù)的出現(xiàn)與運(yùn)用,不僅可以讓我們的想法將被快速打印,而且可以將多種可能的修正要素預(yù)設(shè)在打印的材料方案中。由此在物品初打印成型之后,我們可以根據(jù)自己的想法驅(qū)動它實現(xiàn)自我變形、完善、修正,這對于追求創(chuàng)新、個性、差異化的人群而言無疑是一件極具意義且妙不可言的事情。
而且,這些個人想法的快速實現(xiàn)將大大縮短創(chuàng)新的時間長度;對于傳統(tǒng)的工業(yè)化企業(yè)而言也是如此?;蛟S在不久的將來,因為4D打印技術(shù)的運(yùn)用,傳統(tǒng)工廠所出售的將不再是產(chǎn)品,而是多年沉淀的技術(shù)與服務(wù)。用戶通過購買其技術(shù)能力與制造經(jīng)驗,以協(xié)助自己根據(jù)想法創(chuàng)新產(chǎn)品。
6.4D打印將顛覆傳統(tǒng)商業(yè)模式。隨著4D打印技術(shù)的到來、成熟與普及,我們現(xiàn)在以整體物件銷售為主的模式將得到顛覆,一些關(guān)鍵零部件都將以配件的方式存在于各種商超之中。用戶所購買的也將不再是已有的產(chǎn)品固態(tài),而是根據(jù)自己的想法購買相應(yīng)的關(guān)鍵部件,然后將其與所打印的部件進(jìn)行連接,有效實現(xiàn)“獨一無二”的創(chuàng)意需求。
由此所帶來的商業(yè)模式改變將會是巨大的。一方面,當(dāng)前以銷售整體產(chǎn)品為主的商場、超市,未來或?qū)⒁蕴峁?D訂制打印服務(wù)與技術(shù)支持服務(wù)為主,不再以實際整體產(chǎn)品的銷售形式存在;另一方面,一些從事于創(chuàng)意工作的人群,將通過為消費(fèi)者提供創(chuàng)意設(shè)計,并為其提供4D打印服務(wù)而獲得商業(yè)價值;此外,還會催生出以零部件供應(yīng)為主的各種小型連鎖商場、超市。同時,基于4D打印技術(shù)運(yùn)用而帶來的新商業(yè)模式,還會對宜家這種以創(chuàng)意設(shè)計銷售為主,尚需要用戶自行組裝完成產(chǎn)品的商業(yè)模式來說,也將會是一種顛覆,因為4D打印出來的產(chǎn)品將不再需要組裝。
7.知識產(chǎn)權(quán)的監(jiān)管備受挑戰(zhàn)。如同3D打印的應(yīng)用一樣,4D打印也在存在著“雙刃劍”的問題。比如,4D打印可以輕而易舉地打印出槍支器械、毒品、藥品等諸多原本難以想象的物品;甚至DIY的藥物生產(chǎn),還將打破制作藥物和化合物相對統(tǒng)一和一致的配方,它容許人們設(shè)計和生產(chǎn)自己的藥物和強(qiáng)力化學(xué)品。這無疑將成為監(jiān)管部門的噩夢。
此外,就如同現(xiàn)在3D打印面臨著的爭議一樣,如何鑒定4D打印在復(fù)制擁有版權(quán)的產(chǎn)品設(shè)計時的知識產(chǎn)權(quán)問題?尤其,4D打印的產(chǎn)品還能自我變化,進(jìn)一步增加了取證的難度。
關(guān)于4D打印的知識產(chǎn)權(quán),或許我們可以打一個這樣的比方,它就好比小朋友玩積木,搭出來什么東西就是什么東西。但是在這樣的情況下,又有誰能說自己搭出來的東西是專利,具有知識產(chǎn)權(quán),而別人就不可以也搭出同樣或者差不多的東西嗎?或許這時候,關(guān)于專利、知識產(chǎn)權(quán)的話題,可以順勢轉(zhuǎn)移到積木上,而非積木的搭法。
3D打印機(jī)從構(gòu)想到廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中只用了20年的時間,4D打印目前在軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)展開了探索。相信不久的將來,4D打印將如當(dāng)前的3D打印一樣走入我們的生活。endprint