打印三維物體：哈利·波特的魔杖復活了

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

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。當然，技術雖然好，也要看人們怎樣應用。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讓我們能夠生產前所未有的各種形狀的物品。

3D打印不是一種新技術，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、新型設計軟件、新材料、創(chuàng)新推動及互聯(lián)網進步的推動，3D打印技術發(fā)展迅速。

計算機在3D打印過程中發(fā)揮關鍵作用，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計好的電子藍圖或設計文件，它們負責告訴3D打印機在哪里放置原材料。

3D打印過程如下：3D打印機在設計文件指令的導引下，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，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部凹陷或互鎖部分的形狀設計，3D打印機是首選的加工設備，它可以將這樣的設計在實體世界中實現(xiàn)。

3D打印部件和產品正在蔓延到日常生活中。你的汽車儀表盤的設計就借助了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打印可以使用光學掃描數(shù)據(jù)，捕捉你內耳的精確形狀，實現(xiàn)定制生產。

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

3D打印技術的秘密可以概括如下：就將復雜設計變成實體物品而言，3D打印機比其他生產模式（如人工生產或機器生產）更精確、更通用，可以將一個復雜的設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構。而在微觀的角度，另外一些研究人員已經打印出肉眼幾乎看不到細節(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世紀末，信息開始走向數(shù)字化。21世紀，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打印技術將跨越虛擬世界與實體世界的鴻溝。當然，懷疑論者會立即指出，數(shù)字世界和實體世界已經有了一些交匯點。畢竟設計和制造工藝已經由計算機驅動了數(shù)十年，現(xiàn)在大規(guī)模生產幾乎實現(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打印機可以詳細闡釋數(shù)字化設計文件，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、鏤空與復雜的內腔制造將成為可能。

數(shù)字設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構成和材料構成的精確控制。多材料3D打印機將為新產品的生產打開大門，這種新產品由嚴格控制的原材料構成，其整體性能將大于部分之和。

試想在一個水彩調色盤中，將藍色和黃色混合，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。配備精確的設計文件的多材料3D打印機，可以將熟悉的原材料混合成全新的組合。

隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，我們將看到很多由當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的機器部件，或者看到可以將其長度延伸近10倍的無線網格。醫(yī)療設備將對特定病人的血型做出回應，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雜，最終都可歸結為它的本質，那就是兩個基本單位：1或0。相反，實體物品由豐富的、非模塊化的螺旋結構的原材料制成，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。結果是，模擬材料很難被精確地復制、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，如果你用光學掃描儀掃描它的外表面，你可以把掃描獲得的數(shù)據(jù)轉換成設計文件。一旦將桌子的實體尺寸轉換成數(shù)字格式，就可以輕易使用設計軟件暫時獲得對桌子設計的控制。

你可以先編輯桌子的設計文件，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學習、響應和思考的機器。我們可以打印帶有數(shù)字智能內涵的實體物品。

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90年代就成為文化遺跡，未來取決于可以編程的物質以及本質可以編程并可以被3D打印的原材料。

麻省理工學院教授尼爾·格申費爾德在《當鞋子開始思考》一書中預言，可編程物質有自己的思想。數(shù)字處理能力將真正地找到自己的腿，走進物質世界。3D打印可編程物質將形成自己的實體，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?shù)牡谝徊剑⒆屪陨淼碾娐穼W習周圍的運行方式。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打印：從想象到現(xiàn)實》 作者：[美]胡迪·利普森 等 譯者：賽迪研究院專家組）