4D材料革命可变形人脸轮廓的新材料

原标题:4D材料革命:可变形面部轮廓的新材料

这些可变形材料有一天可能被用来制造帐篷，它们可以通过单独改变温度来膨胀和膨胀。潜在的应用包括可变形望远镜镜头、支架和软机器人。

Writing，Jennifer Ouellette)

Translation，Luo Guangzhen

Editor，Yang Xizhou

“4D素材”可能是3D打印领域的下一个研究热点。我们不需要改变现有的制造技术来获得它，我们可以通过调节环境因素如湿度和温度来改变它的形状。因此，“4D材料”有时被称为反应折纸或变形系统。麻省理工学院的科学家已经成功地产生了几种新型的横向组织。与以前的工作相比，这些结构可以变形为更复杂的形状，如人脸。他们的研究结果发表在去年10月的《美国科学院院刊》 (PNAS)。

关于4D印刷的研究很多，但是研究者以前提出的许多方法只能使材料形成简单的三维结构。这项研究的共同作者，麻省理工学院机械工程师威尔姆·范·里斯，设计了一种理论方法，将薄平板塑造成更复杂的形状，如球体和圆顶。他甚至画出了人脸的轮廓。“起初我只是想做一个像人脸一样复杂的三维形状，然后我问自己，‘我怎样才能把原材料变成那个形状呢？’？"“他说，”这是逆向设计中的一个难题. "

然而，当他第一次开始研究时，他并没有被这个问题困扰，因为当时的理论假设是所用的扁平材料可以无限期地膨胀和收缩。然而，事实上，所有材料都有自己的膨胀和收缩范围，不能自由改变。这就是19世纪数学家高斯首次提出的“双曲率”问题。1828年，高斯发表了《关于曲面的一般研究》，并提出了“卓越定理”。他认为物体表面的曲率只与角度和距离有关。这意味着当你弯曲一个物体时，它的表面曲率不会改变。换句话说，如果你想优雅地吃一块比萨饼，你最好把它对折，因为它的硬度随着厚度而增加。“奇妙定理”也解释了瓦楞纸箱的硬度和粉红色薯片的脆度。科学家也根据这个定理得出宇宙是平的结论。

然而，“奇妙定理”有其局限性:它要求物体的表面不能被拉伸、收缩或撕裂，否则当平面变形为具有不同高斯曲率的复杂形状时就会出现问题。范里斯把这个挑战比作包装足球:包装纸的高斯曲率为零，但足球是双曲率的。因此，如果你想打包一个足球，你必须弄皱包装纸的侧面和底部。纸张必须在所有需要调整的位置适当拉伸或收缩，以便与足球表面具有相同的曲率，并且两者可以连接在一起。

为了解决平面材料变形过程中的曲率问题，范·里斯(Van Reese)和他的同事决定用网格网络结构代替最初的薄平板。他们制造的网状结构使用橡胶作为原材料，随着温度的升高，橡胶会膨胀。网络结构中有许多缝隙，所以即使材料表面发生很大变化，也可以很容易地适应。该团队使用高斯图像创建了一个虚拟地图，可以直观地显示将平面弯曲成人脸轮廓所需的操作。然后他们设计了一种算法，将它转换成网格中骨架的正确模式。

网片上的每个部分以不同的速率拉伸和弯曲，以呈现鼻子或眼窝的形状。印刷产品将在烘箱中加热固化，然后在盐水浴中冷却至室温。通过这个过程，平网片变成了栩栩如生的脸。此外，研究小组还制作了一个含有导电液态金属的网格，可以将其转化为有源天线，其谐振频率也会随着变形而变化。

这些可变形的材料有一天可能会被用来制造帐篷，帐篷可以通过改变温度(或其他环境条件)来膨胀和膨胀。它的潜在应用还包括可变形望远镜透镜、支架、辅助人工组织培养和软机器人。

范·里斯说:“我希望这种材料能被广泛使用。例如，机器人可以模仿水母，通过改变形状来实现游泳功能。”“如果这种材料可以用作致动器，例如人造肌肉，那么致动器的形状将会有很大的变化，这将会给软机器人的设计带来一场颠覆性的革命。”