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3D打印：从想象到现实 [:1700398880]
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最后的篇章：从模拟到数字
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在最后一章里，我们看到崭新的成果，即最大胆、最雄心勃勃地设想从模拟打印到数字打印的转换。在进一步探讨之前，我们必须澄清几个概念，因为“数字”这个词内涵太多，在不同的语境中有不同的含义：
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1. 指的是纯粹虚拟的、没有实际载体的信息，就像“物理型VS数字型”一样，例如数字报纸。
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2. 指的是电子的、可编辑的信息，就像“机械型VS数字型”一样，如数字恒温器。
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3. 指由分散的、不连续的单元构成，就像“模拟型VS数字型”一样，如数字钟。
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虽然数字计算机能以虚拟化的、电子的、多个“0”和“1”离散点的方式快速呈现信息，问题也随之而来。但物质形态中也有“数字”的物体，在另外两种意义上保存其特征，即可程序化编辑且由众多微小的离散点组成。
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图14–6 模拟材料与数字材料对比
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注：数字材料是由多个具有物理特性的立体像素离散点组成。
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图片来源：Jonathan Hiller
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大多数物理目标体都具有模拟特性。模拟信息系统是连续的，意味着模拟信息系统下的信息传递是流畅的。如钟的分针是绕着时钟连续运转，而数字钟不是连续运转的，数字钟中间有60个非常明确的中间状态，它停留在一种状态，然后瞬间切换到另一种状态。我们常用的计算机文档就是数字型的，因为它们是由“0”和“1”字节组成，中间没有任何间隔。
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相反，大多数当前的制造技术都是模拟型的，因为所生产的材料实际上都具备连续性。不过事实并非如此。
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我第一次见到尼尔·格申费尔德是在麻省理工学院的比特和原子研究中心。坦率地讲，我很钦佩他能为自己的研究中心取了一个这么确切的名字，而我始终都不能为我自己的研究工作精髓想一个比较恰当的名字。2005年夏天，我和他刚完成第一轮电池打印测试，测试结果是电池仅仅从电子性能上来说具有“数字性”，从其他方面来说，它具有物理性能和模拟性：电池是由连续的原材料流组成的。
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我试图详尽地解释整个电路打印过程，但尼尔显得有点儿着急。“为何不在里面放置一个带有整个预置电路的芯片呢？”他边问边打开一个抽屉，拿出一个比米粒大不了多少的微型晶体管芯片，如果放入一点儿电路，而不是一点儿墨水，会是怎样的效果？
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起初，我认为格申费尔德的理解出现偏差。放置一个预置电路板简直就是耍小聪明，因为它使得印刷电路在一开始就不能正常运转。然而，随着我思考的深入，我发现这个“小聪明”似乎能行。一个生物体是由22组模块组成（22组氨基酸），这22组氨基酸能够通过自身不同的排列组合产生无数蛋白质，最终形成生命形态。
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生物学家能够快速地指出对生命来说氨基酸并非全部。当然，生命体需要能够组合和分离氨基酸的能量。但从某种意义上讲，生命结构是由氨基酸模块组成的。这种组合使得生物意义上的生命形态具有自我修复的功能。动物和植物之所以能够互相消化共存，又可以重复转化为各自生命质体，是因为我们所有的生命体都是由这小小的22组相同的模块组成。
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同理，像素就是一个图像中的一组模块，字节就是一组信息的一个单元，氨基酸就是一个生物物质的一组模块，立体像素就是一个体积像素（其名字由此而来）。物质的最小基本单位是原子，打印机的最小基本单位应该大一点儿，大概有几百微米，与一粒沙子一样大。
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图14–7
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注：一台快速装配机就像3D打印机，逐层构造物体。但是快速装配机是通过组装大量小模块逐层构造目标体。
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图片来源：Jonathan Hiller
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如同艺术家调色板里的颜料一样，一些不同类型立体像素就足以满足你的各种需求。如果说不足24种元素就能创造所有生命体的话，那么一组基本的立体像素就能打开广阔的想象空间。首先，我们中和硬性和软性立体像素，仅用这两种类型的立体像素，就可能制造硬性和软性的材料。如果加入导电的立体像素，就能制造配线；如果加入电阻器、电容器、感应器和晶体管性能的立体像素，就能制造电路；如果加入驱动器和传感器的立体像素，那么就可以做机器人了。
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立体像素只能存在于实验室环境下，也就是说，能够处理立体像素的打印机还不能在实际情况下工作。但是认为日常物体将由数以亿计的指令形成的微小立体像素构成，这一想法令人震惊。正如氨基酸就是低等级的公分母，能够使大自然很好地循环各种物质，同样，如果所有产品都是由一些最基础的立体像素组成，那么产品也就是可打印的，也能被分解、重印成其他产品形态。
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为了让3D打印成为可能，我们首先要制作微型立体像素，并找到一个能快速处理立体像素的途径。快速计算法要求的是，用沙粒大小的立体像素制作一个鞋盒大小的物体，就需要近10亿个立体像素来完成。而处理这10亿个立体像素需要花很多时间，即使机器人能每秒成功装配一个立体像素，处理完也需要大约30年。解决办法就是平行排列立体像素，同时装配整个图层上的立体像素。