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播放次数99999 雅昌公开课 > 《EAST-欧冀飞:材料即机器》 >[第2集] 欧冀飞:材料即机器——3D打印毛发结构

视频信息

名称:《EAST-欧冀飞:材料即机器》 欧冀飞:材料即机器——3D打印毛发结构
 

  主讲人介绍:

  欧冀飞:麻省理工学院媒体实验室的博士生候选人,专注于设计和制作跨尺度(从μm到m)的可变形材料。负责很多利用生物衍生材料来设计变形包装,服装和家具的项目。

 

欧冀飞

  导语: 在本次讲座中,欧冀飞分享他关于中尺度可编程材料设计的研究,包括一些由生物学激发灵感、由参数化设计、由机器人制造,最终艺术化呈现的项目。这些项目展示拥有“输入”(感觉)和“输出”(刺激)能力的新材料,这是下一代人与材料互动设计的开发方向。他也同步分享在项目中,科学家、工程师、设计师和艺术家之间在各个阶段的合作。

  主题:《EAST-欧冀飞:材料即机器》

  第二部分:材料即机器——3D打印毛发结构

  今天主要说的是两个项目。刚刚那两个项目workshop大家都已经看到了,第一个是用3D打印的方式打印毛发结构,通过我们设计的工具,你可以用不同的3D打印机打印到50微米粗细,基本上就是人的毛发的大小,我们可以用这种毛发的结构来做传感器,也可以用来驱动器。第二个项目要讲的是,一个打印细菌的一个东西,怎么样通过打印的方式,把一个很常见的一个细菌做成一样的东西,当你放到跟你的皮肤接触的时候,根据你皮肤的温湿度变化,这个细菌会让这个布料会翘起来,或者是平躺下去。

  我从第一个说起,谁可以给猜一下这张照片大概是什么东西。随便猜,随便说一下就OK。这个是蜜蜂的腿毛放大以后。蜜蜂的腿毛就是挺有意思,它可以帮助蜜蜂在飞行的过程中很好地抓住花瓣,毛发的结构可以让它更多的把花粉挂住,蜜蜂的这个毛发结构其实是一个很多功能的一个结构,这也是整个这个项目的一个启发吧。

 

蜜蜂

  毛发结构是大家日常非常熟悉的一种东西,但是除了好看,跟摸起来很舒服以外,它还有其他什么样的功能,我们还可以用毛发结构来干嘛?其实如果我们就是看一下自然界,你会有发现很多有启发的毛发结构,它从宏观角度一直到非常的微观纳米的角度上面都是可以就是实现各种不同的功能。比如说北极狐它的毛发,就是通过改变颜色,荷叶上的那些比较微小的毛发结构,它可以是一个疏水结构,当你把水倒上去的话,它完全不会粘在表面上,而是变成一颗一颗的东西掉下去。

  壁虎为什么可以很好地挂在墙上,是因为壁虎的脚上都是一个个很小很小的毛发结构,通过这种结构、它可以实现一种机械的黏着功能。我们就可以看到,从宏观到微观这种毛发结构,它可以实现很多不一样的功能,然后在这一启发上我们就做了这个项目,叫做Cilllia,除了我以外,还有很多其他的同事跟朋友一起帮忙,把这个项目给做好。

 

壁虎

  如果我们再看那个,你会发现大家已经很早就注意到,怎么样通过设计这种结构来实现一些功能,他们多用铸模的方式使得毛发做到纳米级别的大小。 但是用这种方式来做的话,比较困难的地方就是在于,它需要很昂贵的试验设备。其次就是做一遍这个东西需要花比较长的时间,所以我们就在想,有没有另外一种方法,我们也可以用来做一些毛发结构。

  然后我们一开始想到3D打印,因为3D打印是比较方便的一种方式,而且现在很多3D打印机它的精已经是高到打到像毛发那么大小的东西。我们就想说,如想要实现打一个毛发结构,就是用3D打印试试,当你开始的时候,你发现其实没有那么简单,首先你要打印一个东西你得有一个模型,我们做了这么一个实验。在一个4cm×4cm大的小方块上,里面大概6000根毛,仅仅是很小的一个模型。把这个模型做出来算的过程至少要4个小时,完了以后每个文件至少有3只那么大,当你把那个东西放到打印机里面让它去打的时候,你会发现整个这个模型是没有办法被分层的,所以所有的打印机都打印不了,因为打印机的精度还是不够。

  整个3D打印分四个过程,建模的过程,模型建好了以后,要分成好几层,打印机一层一层的打,当你分好层以后,每个层的东西要转成机器语言,这样打印机能够读得到,最后就是打印机在打。通过我们刚才看,你会发现问题是出在前面,就是这个过程会花很久的时间,然后同时机器也没有办法处理这个文件,这个idea就是说,为什么直接生成机器文件,然后用3D直接发过去打印。

 

3D打印作品

  其实3D打印有很多种不同的方式,当树脂是光敏的,它靠近紫外光的时候,它会从液态变成固态,整个打印的过程你怎么样去控制每一层的形状是什么,然后就可以一层一层把液体变成固体,当我们想打毛的时候,可以先从一根毛起,如果我们想打毛发结构的话,基本上就是像一个圆锥体一样的东西,非常非常长,可以把这个圆锥体简化成像一个楼梯形状,这样一块一块的东西,这样打印的话,有点儿像堆积木、堆乐高一样。

  然后你可以通过控制怎么样把这一块一块的堆起来,你可以去控制毛发的结构,比如说你可以控制它的高度,它的粗细,还有它的角度,它是上面粗还是下面粗这,整个这些形状都是可以通过这种方式可以去靠近它。通过这个方式,就可以打出这种毛发结构,这个同样也是在4cm×4cm的一个上面,里面大概有一万多根毛,整个处理的过程大概只要几十秒,但是打印的时间还需要很久,至少现在的话,3D打印毛发从不可能到变成可能。这也是一个当时大家很感兴趣的一个课题,大家第一次发现,硬件比软件已经领先了很多,但是软件没有办法跟上,通常是软件比硬件领先。

  我们把这个结构拿到电镜下去看,发现还是蛮真实的还原了我们设计的结构,看最右边的那个地方你会发现,像一格一格的往左边移,一格一格就是一个的距离。可以像这么打一个直的或者是斜的结构以外,还可以设计一些更复杂的。我们就做了一个像编麻花的一个结构,但不是一把一把地编,是一根毛一根毛地编成,就是自定义,毛发它可以有不同的形状,可以去生成一根毛的形状,除了一根以外,它怎么样可以很快的变成一个面。在这个上面可以很快的定义,毛的分布是怎么样的,它每个地方有多高,每个地方有多矮,一个毛的形状大概是怎么样,你可以不仅是打一个毛,整个一片你可以打过去,同时我们也做了这么一个的方式,可以放一个颜色图案,通过这个颜色图案的值,可以调这个值跟那个毛的结构关系。

 

3D打印作品

  除了可以把毛打在平坦的一个上面以外,也可以把它打到一个曲面上,当你把一个3D模型输入到我们设计的这个系统里面,它就可以去分析,每个小的三角形法线是怎么样的,在法线上长一根毛出来,可以很快在一个曲面上生成很紧凑的一个毛发结构。我们有一个方法一个技术可以打印出一个很精细的毛发,你可以用它来干嘛,首先要可以打一些很精细的一些玩偶结构,比如说一个兔子,上面真的可以有毛,可以控制这个毛的粗细,让兔子的毛看起来是软的,旁边穿山甲它的毛就是比较硬的。也可以做一些很精细的Design可以把毛放在上,或可以像打印一个笔刷一样,控制这个笔刷,自定义笔刷的形状和笔刷的功能。

  当然这些是比较静态的东西,后然后我们发现,它可以实现机械粘合,当你的毛发很紧密的时候,它之间摩擦力不高,所以当你把两个东西给夹在一起的时候,它们两个会自然而然粘在一起。有一点像魔术贴,但是魔术贴它是弯着的这个是直的,所以它是通过摩擦力的方式给扣住,有一个好处就是可以控制毛发的角度,这两个东西只能从一个方向上把它粘在一起,从另外一个方向上没有办法把它粘在一起,这是蛮有意思的一个发现。然后除了这个之外,我们想怎么样可以让这个毛发变成像一个驱动器,毛发结构下面有一个振动源的时候,在毛发的下面放一个object,object它会自然而然的动起来,这个毛发结构相当是一个传动器一样,它可以把一个无规则的vibration,变成有规则的。

 

魔术贴

  当我们有了这些以后我们就想怎么样可以把这个现象给量化呢?量化的话是从两个方面来考虑,一个是怎么样去控制它的移动方向,另外就是控制它的移动速度,从移动的方向可以通过,或者是说毛发的角度通过这个的话,让它可以走直线或者是可以走曲线,然后你可以把一块小的做一片很大的这么一个平面的结构,因为毛发本身很细,所以基本上就是看不到这上面的或者是怎么样,我们怎么样可以去控制它移动的速度呢?这个的话看起来稍微要更复杂一点,因为它跟很多参数相关,比如说你在下面东西的重量是多少,这个毛的材料是什么,它有多粗它有多细有多高有多矮,还有它的震动源,它的频率跟振幅是多少,这些都是可以影响它的移动的速度的那些东西,很难用一种方式去研究它,所以我们就是走了一个比较投机的方式吧,我们就是去直接做了一堆实验,然后去测量这些参数稍稍改变的时候,你最后会得到一个什么样的结果。

  最后的话就是这里有三个参数都在变,你会发现有一个挺有意思的,当这个东西开始移动的时候,它移动的速度会是不一样的,为什么会有趣呢?你会发现这样的话,你就会做一个重量分捡器一样的东西,当你这个东西上面有重的东西有轻的东西,当你振动在一个频率上的时候,重的东西可以先走,然后当你放到另外一个频率上去,新的东西又再走,所以你可以想一下之后,当我们要分解一些非常非常小的电子元器件的时候,你可以用这个东西,完了以后,我们想说这个有什么比较好玩一点的东西,然后我们就做了这么两个像两个小玩偶一样的东西。

 

3D打印机

  下面设计好一些毛发的结构跟走向,这个透明的桌其实是一个扬声器,是一个喇叭,当你开始播放音乐的时候,这两个芭蕾舞演员,他会用特定的形状动起来,而且驱动它的能量也是音乐。然后这种就是说,刚刚说过过不仅仅可以把毛发打在平面上,你可以把毛发打曲面上。所以我们就说,如果你把毛发打在这样一个曲的里边会变成什么样,会发现可以做一些驱动器一样的东西,你可以让它变成一个极限,让它转起来。这个东西可以用来干嘛呢?做一个算是比较搞笑一点的idea,就是大家很多时候开会的时候,会把手机调到静音,调到振动,做这么一个小小的,像一个小风扇一样的东西,当你有电话来的时候你可能听不到,但是震动,手机的震动会传到那个毛发上,然后那个毛发就会把这个小小的传动起来,然后我们想说你可以用这个来做一个可视化的一个天气预报,可以跟你说今天外面的风速有多少,可以通过通过手机上震动的方式,可以以不同的速度转起来。

  刚刚我们介绍怎么样用毛发这么一个很强健的个结构,然后这个时候会想说,可不可以同时是一个可以感知到外面的情况变化,先放两个视频给大家听一下。你就会发现,当你真正刮它的时候基本上听不到那个声音,但是现在为了把它放大,当你把毛发打印成特定的一个结构的时候,你用手去摸他的时候,它会产生特定的不一样的频率的声音,这个声音可能人耳听不到,但是当你放一个小小的麦克风在下面的时候,用麦克风可以听得到。

 

小兔子

  然后你就可以把一个小小的一个麦克风,接在你要的一个物件上面,这个就会告诉你,当你摸这个物件的时候,你摸的它的方向是什么?然后我们做这么一个,像一朵儿小玩具一样的东西,几个小兔子,当你顺着它的毛摸的时候,就变成绿色,你逆着它的毛摸的时候,变成红色。通过这种方式,你可以测试摸的方向,摸它的速度,当你滑的很快的时候,那个方格会变得比较暗,当你滑的很慢的时候方格会稍微浅一点。

  这个项目就是说,怎么样通过这种的方式,把打印毛发这件事情,就是不太可能的事情,把它变成一个可能的事情,有了这些毛发的结构以后,可以想一下它的功能性是怎么样的。除此之外,在自然界里面毛发有很多其他的功能,我们还可以继续想一下,当3D打印这么精细的结构的时候,还可以用它来干什么。

  当你有毛发的东西,有毛发的结构跟没有毛发的结构,它的导热性会比较好,因为它的接触面,跟空气的接触面会比较多,另外一个蛮有意思的就是这种,有很多重复的结构的时候,从这个角度上会有一个特定的图案,或者是有一个特定的文字,当然这些都是还在思考还在研究当中,这是一个例子,材料这种东西本身,通过你设计它的结构,通过你跟其它的能量像,这种东西结合联系在一起的时候,你可以给它一定的指令,可以让它说按照一定的方式动起来,可以让它按照一定的方式,按照一定的速度类似于这种东西,当然整个这个上面,当然还有一个很重的方面就是,当你在自然界看到那么多各式各样的东西,怎么样指导你做设计。

上传日期:2018年04月17日

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