《Science》子刊：神笔马良！笔画的二维图案直接变成3D物体

　　用笔绘图是一种简单、廉价、直观的2D制作方法。在此，为了发挥用笔绘图在3D物体制造中的优势，来自韩国国立首尔大学的Sunghoon Kwon&蔚山国家科学技术研究所的Jiyun Kim等研究者，开发了一种可以直接将笔画的2D前体转换成三维的3D制造技术。相关论文以题为“Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings”发表在Science Advances上。更多精彩视频请抖音搜索：材料科学网。

　　论文链接：

　　https://advances.sciencemag.org/content/7/13/eabf3804

　　将2D平面结构转化为3D结构，已成为一种可将基于2D技术的优势融入到3D对象的制造中的策略。2D制造简单、适合大规模生产，但其输出仅限于平面结构。相比之下，3D制造可以创造出具有多种结构的有形现实物体，但设计和制造过程相对缓慢和复杂。因此，2D-3D转换技术，可以通过从容易制备的2D初始前体构建复杂的3D结构来提高3D制造的效率和简单性。2D到3D转换技术，如折纸、屈曲、形状记忆复合材料和4D打印，是通过折叠、弯曲和组装2D平面薄片到设计的3D结构来实现的。然而由于需要可变形的智能材料、功能基板或额外的仪器，如3D打印机，可以打印出实现其转化机制所需的多层结构，但这些技术的可获得性可能是不够的。

　　在2D空间中，笔是最具创意、最方便、最常见的表达思想的工具。笔画的优势在于，它的高可访问性、高便携性、自由式可用性和现场可制造性。这些特性使得画笔，在微流体、柔性电子、可穿戴设备和显示领域可进行现场自由制作。此外，基于笔的方法可以与现有的2D打印系统(如笔绘图机)相结合，以实现高水平的精度和大规模生产。尽管有这样的优势，但直到笔式3D打印机开发出来之前，笔通常被视为只能在2D表面上使用的绘图工具。笔式3D打印机，提供了一种将笔作为直接3D制作工具的策略，但在空白空间中控制笔并不像在2D平面上使用笔那样快捷和方便。因此，研究者的目标是通过开发2D-to-3D转换技术，将2D笔画在2D表面上转换成有形的3D物体，将2D笔画的优点融入到更快速、更直观的3D制作过程中。虽然以前已经开发了各种形状变形技术，但没有一种是用笔实现的，这可以是卓越的快速原型方法，结合了自由式可用性和高吞吐量的优势。

　　在此，研究者开发了一种“基于画笔的4D打印”，可以通过简单地将2D笔图直接制造3D架构(图1,A和B)。该方法基于一种形状变形机制，该机制依赖于表面张力驱动的干燥油墨膜的选择性剥离和漂浮，称为表面张力辅助转化(STAT)(图1C)。一种含有聚乙烯醇缩丁醛(PVB)树脂的干式擦除标记油墨，在干燥后形成疏水性薄膜。当PVB膜浸入水溶液中，溶液在毛细管力的作用下，渗透到膜-底界面，使PVB膜与基材分离。然后，分离的PVB膜，由于表面张力漂浮在溶液表面(图1C)。

　　当绘图浸入水溶液时，由表面张力驱动的毛细管剥离和干燥油墨膜的浮起，有助于笔画的2D-3D转换。选择控制2D前驱体的浮动和锚定部件，可以将2D图纸转换为设计的3D结构。转换后的3D几何形状，可以通过表面引发聚合的结构加固来固定。通过将简单的笔画2D结构转换为复杂的3D结构，该方法快速且适合大批量生产。

　　图1 基于笔的4D打印可以将2D钢笔图纸简单转换为3D结构。更多精彩视频请抖音搜索：材料科学网。

　　图2 根据水位高度的不同，2D笔画可以转换成复杂的3D结构。更多精彩视频请抖音搜索：材料科学网。

　　图3 通过SCIRP对转换后的3D形状进行结构强化。更多精彩视频请抖音搜索：材料科学网。

　　图4 基于笔的4D打印可以实现“3D打印任何地方”和R2R 3D制作。更多精彩视频请抖音搜索：材料科学网。

　　综上所述，研究者开发了STAT，作为一种基于真实2D-3D转换的新型形状变形机制，拓宽了4D打印机制的种类。研究者的基于笔的4D打印，只需要一支记号笔，比3D打印机更简单和更快。尽管基于笔的4D打印，仅限于两个锚定表面的几何形状，但它采用笔作为3D制作界面，允许自由式3D制作，而不局限于特定的基材。以上优势导致了现有技术的潜力，可访问和快速制造应用于各个领域，包括电气应用，软机器人和生物应用等。这项研究能够有望进一步发展，基于2D技术的简单而高效的3D制作技术，并进一步扩展4D打印的价值。（文：水生）

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