目前，在世界上只有少數(shù)幾家公司是不需要介紹而人人皆知的，迪斯尼就是其中之一。但是您知道嗎，迪士尼除了電影、玩具和游樂園之外，還有一個(gè)非常活躍的研究部門Disney Research ，專門從事各種能夠?yàn)檎麄€(gè)迪斯尼帝國(guó)添磚加瓦的應(yīng)用研究。他們也經(jīng)常會(huì)在研究中使用到3D打印技術(shù)。比如兩個(gè)月前，有網(wǎng)站曾經(jīng)報(bào)道過Disney Research用3D打印開發(fā)出了走路很像動(dòng)畫人物的機(jī)器人。如今，這個(gè)研究部門又搞出了一個(gè)很有趣的創(chuàng)新，這是一個(gè)使用單一材料3D打印的對(duì)象，但是它的不同部位彈性程度各不相同。比如他們用一種材料打印了一只兔子，這只兔子擁有柔軟的耳朵和結(jié)實(shí)的身子。
這個(gè)有趣的能力是由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)博士生Christian Schumacher開發(fā)的，他同時(shí)也在為Disney Research工作。據(jù)他在一份研究報(bào)告中說，這個(gè)概念脫胎于一個(gè)3D對(duì)象原有的屬性嵌入3D打印的復(fù)制品中的想法。
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迪斯尼的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過改變材料小尺度的結(jié)構(gòu)來大幅度該片對(duì)象的彈性。他們開發(fā)了各種具有不同彈性屬性而且兼容的微結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)需要為對(duì)象的不同部分選擇彈性屬性。“在我們的日常生活中，有許多功能對(duì)象是由有彈性的、可變形的材料制成的。這些材料的特性通常與其功能密不可分。不幸的是，彈性屬性在幾何形狀上很不容易控制，因?yàn)?D打印技術(shù)通常只能使用單一的材料，或者非常小的一組材料，這就難以支持所需的彈性變形行為。”他寫道。
不過研究人員認(rèn)為，雖然3D打印受到材料方面的限制，但是也有方法可以繞開這個(gè)限制。“3D打印能夠輕松創(chuàng)建復(fù)雜的高精度3D結(jié)構(gòu)，從而可以創(chuàng)建出具有特殊性能的超材料。”他們寫道。這些超材料本質(zhì)上是由尺寸很小的結(jié)構(gòu)組成的，但是它們的主要屬性并非來自組成材料，而是來自其中的微小結(jié)構(gòu)的形狀和相互作用。 概括地說，這些材料的微結(jié)構(gòu)可以經(jīng)過特定的布置，以確保一個(gè)3D打印對(duì)象的一部分比另一部分更具彈性或者更耐久。
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為了做到這一點(diǎn)，他們采取了一種基于數(shù)據(jù)的解決方法，他們開發(fā)出了一種算法，該算法考慮到了這些微型結(jié)構(gòu)的所有基本彈性。“我們希望這些結(jié)構(gòu)能夠在一個(gè)理想的、足夠大的連續(xù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)可能的彈性行為。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們使用了一種優(yōu)化的方法來選取能夠展示出一系列所需行為的結(jié)構(gòu)。”迪斯尼研究團(tuán)隊(duì)說。“我們會(huì)使用一種已知的結(jié)構(gòu)或者所希望的彈性指標(biāo)來初始化這種優(yōu)化方法，然后計(jì)算出一系列相似的結(jié)構(gòu)，以涵蓋一個(gè)擁有可能彈性行為的子空間。我們會(huì)重復(fù)這個(gè)過程，每次會(huì)增加結(jié)構(gòu)的一個(gè)結(jié)構(gòu)系列，以增加材料所能覆蓋的彈性行為的空間。這顯然是一個(gè)非常復(fù)雜的方法，研究人員在論文中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
這個(gè)技術(shù)為很多可能性打開了大門，因?yàn)閺椥孕袨榭梢酝ㄟ^各種顯著不同的結(jié)構(gòu)被再現(xiàn)。“在3D條件下，我們?cè)趦蓚€(gè)模型（13厘米高的兔子和15厘米高的泰迪熊）這些模型是通過一個(gè)交互的材料設(shè)計(jì)工具創(chuàng)建的。這些模型被分為一個(gè)個(gè)8毫米邊長(zhǎng)的小格子。這些超材料空間就被安置在這些小格子里，每個(gè)格子包含了21個(gè)類似的微結(jié)構(gòu)。”研究人員稱。這兩種模型具有不同程度的彈性。
研究人員也制作出了第三個(gè)模型（32厘米高的犰狳），該模型的不同部位彈性是不一樣的。“我們調(diào)整了參數(shù)分布，使得犰狳的腹部和關(guān)節(jié)是軟的，而模型的其它部分是硬的。這些格子的結(jié)構(gòu)和鋪設(shè)是都是經(jīng)過我們的算法計(jì)算的。”迪斯尼團(tuán)隊(duì)說。這個(gè)犰狳可以活動(dòng)，即使其用的基本材料是硬的。同時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn)，這些模型最好使用SLS 3D打印機(jī)打印，也就是說，由于FDM 3D打印技術(shù)需要支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)模型的功能會(huì)有所限制。
盡管如此，這個(gè)有趣的創(chuàng)新是絕對(duì)能夠大大擴(kuò)展3D打印材料應(yīng)用范圍。不過這種方法最明顯的缺點(diǎn)是，它依賴于大量的數(shù)據(jù)與計(jì)算功能的支持。幸運(yùn)的是，迪斯尼團(tuán)隊(duì)已經(jīng)準(zhǔn)備采取某種方式公開發(fā)布這些結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)對(duì)于這個(gè)有趣創(chuàng)新的跟進(jìn)研究也在進(jìn)行中。
