客观日本

“4D造型”产品自动成型,有望大幅节能,还能实现会呼吸的墙壁

2020年10月19日 机械/机器人

在空地上放一块树脂板,几天后就能建起一座精美的房子。这种魔法般的技术在2030年代可能会出现。这是纸和树脂在热、光、风等的刺激下自动组装成预先设计好的构造的“4D打印”所展示的未来场景。仅依靠自然的力量而变化的材料从削减能耗的角度来看也令人期待,目前全球都在加速开发之中。

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印刷的纸自动组装成足球的形状

4D打印是2010年代上半出现的技术,该技术由打印立体物体的3D打印发展而来,提出4D打印概念的是美国麻省理工学院的斯凯勒·蒂比斯(Skylar Tibbits)。

日本科学技术与学术政策研究所实施的“科学技术预测调查”中预测,自动组装成期望的形状的技术将在2030年前后实现实用化。

在芝浦工业大学的重宗宏毅助教的研究室里,打印机打印出来的纸上有很多切口。仔细观察就能发现,纸的一部分会卷起来,最后卷成足球的形状。

在纸上印刷特殊的墨水后,纸会沿着墨水弯折。在此次实验中,等待约5~15分钟后,涂墨水的部分开始受力,纸张按设计的那样形成了足球的形状。只要是能通过折纸形成的形状,任何形状都可以实现。除足球外,还试制了立方体和纸飞机等约20种形状。能形成各种形状的关键在于,纸的弯折方式会随着墨水的量、印刷墨水的粗细度及纸的厚度而改变。

研究团队的目标是应用于佩戴在手臂或腿上的可穿戴设备领域。在印有布线基板和传感器的纸上涂覆墨水,然后按压到手臂或腿上,就能卷绕起来。可以制作出紧贴到身体上就能测量心率和呼吸频率等体征信息的终端。重宗宏毅助教表示,“由于是用纸制作的,可作为一次性产品使用,还有助于预防新冠病毒等传染病”。

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今后将设法实现用更短的时间完成组装。据说已经有多家企业表示对该研究感兴趣,计划数年后实现实用化。

建筑物墙壁上的几何图案会“呼吸”。制作出这种不可思议的“图案”的是庆应大学的田中浩也教授等人。组成图案的树脂板的硬度会随着温度而变化,因此会根据温度和风自动开关。图案是利用3D打印机制作而成。

树脂会记住从打印机中出来时的关闭状态。温度为20度左右时,树脂是硬的,但温度升高到35~40度时则会变软。图案的切口会在风力的作用下打开,没有风时就恢复到记忆的初始状态关闭。

这一产品可作为窗户应用于建筑物的墙面等,在炎热的夏季,窗户会打开,让风进来,而秋冬季节,窗户会关闭保暖。窗户的开关温度可以通过材料的混合比例来改变。

目前正尝试组合多种形状记忆树脂来实现更复杂的动作。接下来计划推进实证试验,在2025年之前实现实用化。

● 双向控制和强度存在课题

目前的4D打印技术在特定刺激的作用下发生的变化很多都是单向的。无法自动恢复到原来的状态或者在发生变化后保持结构强度。例如芝浦工业大学开发的技术,纸虽然能自动组装,但无法恢复到原来的状态。庆应大学的技术也一样,树脂虽然会随着温度变软,但会变形。可以作为进风口使用,但不能用作支撑房屋的支柱和墙壁。

要想用于房屋建筑或车辆组装,这一点还需改进。重宗助教介绍说,目前,即使从全球来看,也“还没有既能实现双向变形和形状变化,又能保持结构强度的研究”。

4D打印被认为实现普及的话可以削减能耗,但如果采用目前的技术,拆除制造的住宅或车辆时会消耗能源。

如果因为容易组装而更加大量地制造汽车的话,从整体来看反而可能会增加能源消耗。

关于4D打印技术,与庆应大学的田中教授共同开展研究的塑料产品制造企业Kyoraku(东京中央区)的汤浅亮平表示:“加快形状变化速度也是普及面临的课题”。

日文:三隅勇气,《日经产业新闻》,2020年9月28日
中文:JST客观日本编辑部

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