图片来源：Song et al., Sci. Adv. 2021; 7: eabf3804
神话中的神笔马良，能将笔下的图画变成现实。而近日，来自韩国首尔大学的研究团队，用一支“马克笔”做到了这一点。在用这只神奇的马克笔作画后，只需要将图画在溶液中浸泡3分钟，图画中的2D形状就能“跳”出纸面，变成3D结构。
撰文 | 洪艺瑞
审校 | 吴非
“神笔马良”的故事，我们都不陌生。马良在梦中获得的神笔，能将图画变成现实。近日，在一项发表于《科学·进展》的研究中，科学家利用奇妙的物理化学反应，也创造了一只“神笔”，能在石头上直接画出立体的花。
这其实是由韩国首尔大学的生物工程学家研发的4D打印技术：利用两种特殊染料在2D平面上作画，再将图画在过硫酸钾溶液中浸泡3分钟，即可将其转变为3D物体。
神奇魔力的来源
这项不可思议的新技术，源自科学家发现的一个有趣现象。研究论文的第一作者，来自首尔大学电子工程与计算机科学系的Seo Woo Song在接受《环球科学》采访时表示：“我们偶然发现，把马克笔画出的图像浸泡在水中，图像竟然可以从纸上脱落，漂在水面上。后来我们才知道，这个现象其实很常见，甚至是一个非常流行的儿童趣味实验。”
2017年，普林斯顿大学的工程学家塞皮德·胡拉帕拉斯特（Sepideh Khodaparast）及其团队也注意到了这一现象。他们用马克笔在玻璃上写字后，将玻璃以1 μm/s的速度缓慢地浸入水中，结果发现字迹从玻璃表面完整地脱落。该团队随后于《物理评论快报》（Physical Review Letter）上发表论文，对该现象的物理学机制做出了说明。论文指出，马克笔的笔迹在风干后会形成一层疏水薄膜。将笔迹浸入水中时，由于薄膜与玻璃之间的附着力小于水-空气界面的表面张力，水溶液能够慢慢渗入薄膜和玻璃之间，并最终将薄膜从玻璃上剥离。研究团队把这种现象称为毛细管剥离现象（capillary peeling）。
“胡拉帕拉斯特团队从物理学的角度解释了该现象，我们则更加关注马克笔颜料的独特性，”Song表示，“我们用多种马克笔进行了实验，发现只有颜料中同时含有聚乙烯醇缩丁醛（PVB）和表面活性剂的马克笔，才能够出现毛细管剥离现象；如果不含表面活性剂，笔迹也不能从玻璃上脱离。”
这正是Song及其团队提出的4D打印技术的灵感来源。基于以上发现，他们开发出了红色和黑色两种颜料。这两种颜料都含有PVB，但不同的是，红色颜料中含有表面活性剂，因此能够从玻璃等基质上脱离，并漂浮在水面上；而黑色颜料中不含表面活性剂，因此仍然附着在基质上，起到固定红色颜料的作用。在用两种颜料进行绘画后，将图像浸泡在水溶液中，红色颜料就可以漂浮起来，形成立体结构。“2D图像的形状以及水位的高低，共同决定了最终的3D结构。通过计算机模拟，我们能够对物体的最终形状进行预测，这让精准设计成为可能。”Song表示。
含有表面活性剂（左图红色）与不含表面活性剂（左图黑色）的颜料呈现出不同的性质。（图片来源：研究论文）
但仅仅有这两种颜料还不够。研究团队发现，如果用纯水浸泡马克笔字迹，那么形成的3D结构将在离开水溶液后，因失去表面张力的作用而迅速变形。为了解决这个问题，研究团队从以往的研究中寻找线索。他们注意到，亚铁离子和过硫酸根反应生成的自由基，能够形成水凝胶，进而包裹在聚合树脂和陶瓷等多种材料上，避免材料变形。
受到启发，研究团队在红色颜料中加入了少量的亚铁离子，并将水溶液换为质量浓度为50%的过硫酸钾溶液。实验结果表明，PVB薄膜表面形成了一层300微米的水凝胶，将3D物体的刚度提高至原来的1000倍。Song表示：“这层凝胶不仅可以将物体定型，同时也赋予了物体厚度，让它更加立体。”
多聚物形成涂层的过程（图片来源：研究论文）
除了让石头开花之外，这只“神笔”还可以在手套上画出展翅的蝴蝶、在树叶上绘制正欲起跳的青蛙。在论文中，研究人员尝试了在手套、玻璃、陶瓷、树叶、金属和石头上作画。在进行3分钟的浸泡后，这些图画均可成功实现2D到3D的转变。论文写道：“笔是我们最常用的表达工具，同时也是最具有创造力、最方便和最熟悉的……以笔作为载体的4D打印技术，能让我们在打印基质的选择上，具有更多的灵活性。”
在多种材料上均可实现2D-3D的转变。（图片来源：研究论文）
更为神奇的是，这只“神笔”还能完成一些看起来不可能的任务，例如“不可能的瓶子”（impossible bottle），即把一些比瓶口大的物体装入瓶内，“瓶中船”就是一个例子。在本研究中，研究人员把写有字母的聚二甲基硅氧烷薄膜卷起来装入瓶中，然后通过浸泡，让字母从薄膜上脱落，形成立体结构。
图片来源：研究论文
又一个奇思妙想？
这项研究看上去似乎只是科学家的奇思妙想，但其实它在尝试解决制造业的一个瓶颈问题。
我们所制造的许多物品都局限在二维平面中，需要通过机器或人工的方式进行组装。这样制造出的物品，不仅需要耗费额外的时间与劳动力，而且在复杂度和精巧度上也有所欠缺。而3D打印技术能够很好地解决这个问题，其本质是二维平面的层层堆叠：3D打印机按照计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）文件中给出的数字模型，从下至上层层打印，最终无数个二维平面堆叠为一个三维物体。通过这一技术，我们能够直接打印出由塑料、金属、粉末或活细胞等多种材质制成的3D物品。
3D打印机正在打印物体。（图片来源：pixabay）
尽管如此，制作CAD文件较为复杂、3D打印耗时较长、成本高昂等限制因素，使得3D打印技术距大规模使用仍存在一定距离。科学家希望，能够将2D打印的便捷性与3D打印的精巧性结合起来——4D打印技术由此诞生。
“4D打印在3D打印的基础上，增加了‘时间’这个维度。在4D打印中，平面形状在电压等外部因素作用下，可以折叠、弯曲从而变成3D结构。利用4D打印，我们可以先大规模地印刷出2D图形，再把它们运输到各地，在当地完成2D到3D的转变。这将大大减少运输和储存的成本，”Song解释道，“但之前的4D技术往往依赖于智能材料，比如拥有形状记忆功能的合金，这使得其成本十分高昂……而我们的技术只需要一支笔和过硫酸钾溶液。”
为了展示该技术在大规模应用上的潜力，研究人员不仅展示了如何用机械臂大批量绘制2D图案，同时还搭建了流水线，实现了2D-3D转化过程的自动化。在流水线上，首先由机械臂绘制2D图案，然后这些图案被运到过硫酸钾水槽中浸没3分钟，产生3D结构并被定型。研究论文指出：“采用这套方法，我们可以在30分钟内，制作60个3D物品。尽管目前流水线生产的物品在形状上还存在微小的差异，但是我们相信这种差异会随着自动化程度的提高进一步减小。”
全自动机械臂正在批量绘制图形。（视频来源：研究论文）
下一步，研究团队将探究如何赋予颜料更多的功能性。目前，由于颜料中含有亚铁离子，因此制造的物体具有磁性，能够对磁场产生响应。Song表示：“这一特征使该技术有望用于磁力驱动的软体机器人的制造，它能够解决软体机器人领域难以制造出复杂且灵活的3D结构这一问题。我们目前正在筛选具有不同的力学性能的材料，以更好地吻合软体机器人在设计和制造上的需求。”
生产出的物体具有磁性。（图片来源：研究论文）另一个可能的应用，是将这项技术用于电子制造领域。哈佛大学的工程学家珍妮弗·刘易斯（Jennifer Lewis）表示，如果PVB薄膜能够携带电路，“这将会非常强大”。在论文中，研究人员尝试了向颜料中添加碳纳米管。结果显示，制造出的3D物体具有一定的导电性。“这仅仅表示我们的技术有潜力应用于电子领域，”Song表示，“我们希望能够研发出更适合的材料，证明这项技术可以投入实际应用中。”目前，团队正在探究半导体的主要成分光刻胶（photoresist）是否也能用作颜料。
而在制造业之外，这项技术也可能大放异彩。正如韩国国立蔚山科学技术院的材料学家Jiyun Kim所说：“人们对于手绘有种朴素的热爱。能够看到自己笔下的一切变为现实，将是一件非常有趣的事情。这也是为什么我觉得，在其科学价值之外，这项技术也拥有独特的艺术价值。”或许今后，人人都能成为神笔马良。