出現於上世紀90 年代的3D 打印技術，能把計算機上的模型變成實物，可以說是顛覆了人們對傳統生產製造的認知。2015 年，原本任職於SpaceX 和藍色起源的兩位90 後創立了Relativity Space 公司，旨在3D 打印出用於商業軌道發射服務的運載火箭。

【火箭發動機正在進行關鍵測試】

2017 年，瑞士聯邦理工學院運用3D 打印技術製造出了世界上第一個軟體人工心臟。

疫情期間，由於醫療防護物資緊缺，基於3D 打印技術的口罩、護目鏡等一時間也派上了用場。

其實，3D打印技術已在模具製造、工業設計、航空航天、工程施工、醫療、教育、地理信息系統、汽車等垂直領域受到了廣泛應用，而3D打印通常採用數字技術材料打印機來實現，即我們常說的3D打印機。

3D 打印機雖然在工作原理上與普通打印機基本相同，但打印材料卻不同——3D 打印機內裝有粉末狀的金屬、陶瓷、砂、塑料等可粘合打印材料。

那麼，除了3D 打印機，還有什麼工具可以實現3D 造物？

最近一組韓國科學家給出了答案：一支看似平平無奇的馬克筆。

用筆寫下幾個字母，它們在脫離玻璃“畫板”後，竟然有了3D 立體的樣子。

2021 年3 月24 日，相關研究成果正式發表於知名學術期刊《科學-進展》（Science Advances），題為Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings（直接實現2D-3D 轉換的畫筆）。

論文作者來自韓國首爾國立大學（Bio-MAX 研究院、電子與計算機工程系、生物工程跨學科項目、納米系統研究所）、國立蔚山科學技術院（材料科學與工程系、多維可編程物質研究中心）。

一支神筆，兩種材料

無疑，二維製造簡單，適合大規模生產，但其輸出僅限於平面結構。相比之下，3D 製造的設計和製造過程相對緩慢、複雜。

基於此，科學家們打造3D 結構的一個思路是2D 向3D 轉換——也就是說，基於容易製備的2D 結構，構建複雜的3D 結構，從而使得3D 製造的效率提升、難度降低。此前就有科研團隊通過將二維平面薄片折疊、彎曲和組裝，實現了諸如摺紙、形狀記憶複合材料甚至4D 打印的例子。

思路有了，具體採用什麼載體來實現呢？

研究團隊想到了二維空間中最具創意、最方便也最常見的思想表達工具：筆。

他們希望通過開發一種新型2D-3D轉換技術，將畫筆之下原本的2D形狀轉換成3D物體。

這一方法基於一種形變機制，研究人員將這種機制稱為“表面張力輔助轉化”（Surface tension–assisted transformation，STAT）。

簡單來講就是，畫筆劃下形狀、油墨變乾成膜後，受到表面張力驅動的油墨膜會選擇性從“畫板”上剝離下來。

問題來了，為什麼是選擇性剝離呢？

原因就在於研究團隊用到的兩種材料：

• 一是含有聚乙烯醇縮丁醛（PVB）樹脂的油墨，在乾燥後形成疏水性薄膜。當PVB 膜浸入水溶液中，會受毛細作用力與“畫板”分離，接著受表面張力漂浮在水溶液表面。
• 二是表面催化自由基聚合（SCIRP），即一種高分子塗層，主要用於固定、強化PVB 薄膜的3D 結構。

高自由度2D-3D 轉變

實際上，這種方法具有很高的自由度，主要體現在三個方面。

一是它可以在由各種材料製成的“畫板”上製造3D 結構，比如玻璃、塑料、聚二甲基矽氧烷（PDMS）、陶瓷、金屬等。

二是“畫板”也不必是平整的表面，石頭、葉子上都可以進行3D 製造。

三是可以在傳統3D 打印系統難以打印的位置操作。比如研究團隊基於聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄膜上畫下形狀，最終設計出了“不可能的瓶子”。

需要解釋的是，上面這種“不可能的瓶子”在數學領域被稱為是“克萊因瓶”（Klein Bottle），指一種無定向性的平面，在拓撲學中是一個不可定向的拓撲空間。

可見，這種形變機制簡單直觀，並不需要很高的技術水平來預測產生的結構轉換，也不需要笨重的設備。

值得關注的是，這一方法還可以與傳統印刷技術相結合，結合繪圖（低成本、簡單）和印刷（大批量生產複製）的特點，比如像下面這樣批量生產3D 小紅花。

不難想像，未來基於CAD（計算機輔助設計）和自動印刷系統，這種方法將會用於更為精確的大批量製造。