自行組裝的背後原理,是由程式設計的 (programmed),但不是電腦程式,是材料程式,也就是構成整體物件的材料並不完全一致,不同的部位用不同的材料,對外界的環境或刺激有不同的反應,如影片裡用溫度、濕度、重力來驅動「程式」,使物件自己動起來。一個物件用不同材料構成,傳統的製造方式非常困難,甚至不可能,相對的 3D 印刷就容易得多。
3D 印刷不算印刷,是新的製造技術,只不過有如噴墨印刷的動作所以借用印刷兩個字。我們用的噴墨列印機,是藉噴頭把墨水一點一點印到紙上,3D 印刷是藉噴頭噴灑小顆粒的材料,層層堆砌成最後的物件。如果堆砌到一個部位需用不同的材料,可以用另外一個噴頭噴灑,或是同一種材料用不同角度的紋路、厚度噴灑,來製造那個部位的特殊性能,於是就從 3D 轉為 4D。
(4D 印刷成品、取自網路)
上面的兩個動畫圖,一個是能彎曲的木製品,一個能彎曲的碳纖維,這兩種材料用途都很廣,但要彎曲並不容易,現在 4D 印製以後,在一定的條件之下可以自動彎曲。4D 的性能讓 3D 的應用更進一步,有人想到太空,如果零件壞了就可以臨時依需要用 4D 特製,3D 印製一個原型、4D 後續動作轉換成需要的規格。如果衛星壞了,更可以印製小零件,自動組合修補。所以有人比喻 4D 印刷是沒有機器的機器人。
附帶說一點 3D 印刷,現在已經脫離了玩具、進入實質的用途,工具、機械零件、噴射引擎噴射口、人體移植骨骼、汽車外殼,發展中的更有用細胞印製人體器官,大型物件如建材、飛機翅膀、甚至房屋,只要有適當材料,無所不「印」。
中國的青島尤尼更製造了全球最大的 3D 印刷機,長寬高各 12 米,重 120 噸。用了 8 噸新材料與 12 噸水泥,複製了 100 立方米的北京天壇建築模型,不用 3D 則需 150 噸水泥。
(青島尤尼巨型 3D 印刷機、取自網路)
(青島尤尼巨型 3D 印刷機複製北京天壇建築模型、取自網路)