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3D打印的三个篇章
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本书首先回顾了增材制造技术的演变，作为人类进步的一大里程碑，它标志着人类在控制有形物质方面所取得的进步。旅程的第一篇章回顾了人类史无前例地实现了对物体形状的掌握。今天的3D打印机几乎可以打印任何材料：从尼龙到玻璃，从巧克力到钛，从水泥到活细胞。
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创造任意形状的能力已经产生了深远的影响，超过了工程设计。大规模生产正在成为大规模定制。未来，随着3D打印技术的改进，每个人都会设计和制造复杂产品。与传统制造业并存的资源和技能障碍将得以缓解，使创新大众化，持续释放人类创造力。
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旅程的第二篇章刚刚启幕—控制物质的构成，不仅仅是塑造外部几何形状，而是以前所未有的逼真度塑造出新的超材料的内部结构。
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有一天，我们将能够用不同的材料制作材料。当3D打印机可以通过新的方式将原材料加以混合，新型材料就会出现。材料制造过程将会摆脱传统的先制造单个零部件后组装的弊端。有了混合材料打印，多元结构的部件将会被同时制造、同时组装出来。在一个较小的范围内，我们将会以纳米级的精度将多种材料嵌入和编排到复杂的微观结构中。
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基于该种可能，你可以打印定制的网球拍以巧妙地放大你独特的反手能力，或者为缓解你的背痛植入定制的椎间盘（但这两项在职业运动中可能不被允许）。尽管这种可能性非常大，但很少有材料科学家能够预测这些新材料的性能，也很少有设计者能够开辟出全新的设计空间。为了增强人类的创造力，新的设计工具亟待出现。
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旅程的第三篇章正如我们已经观察到的早期迹象，就是控制行为。在这一篇章中，我们超越第一篇章中对物质形状的控制，也超越第二篇章中对结构的控制。在第三篇章中，我们将程序编写进材料，使其具备我们所需要的功能。我们不再打印被动的零部件和材料，而是打印能够感知、反应、计算和行动的综合的主动系统。我们不仅要控制物体的机械功能，更要控制信息和能源的处理过程。
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当这一天来临时，我们将能够打印几乎任何东西—比如手机或者从3D打印机里溜达出来的机器人。但是，如同任何科幻小说一样，这里也存在一个隐情。这种机器人看起来不会完全像今天的机器人，因为它不会受限于传统制造业的约束条件，也不会直接由人类设计，因为新的设计空间太大，让人难以捉摸。如果人类能够制造出由被动和自由积极的两种子结构组成的灵活系统，那么通往新的设计空间和新的工程范式的大门将被开启，其所产生的强大力量不亚于生物学。
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多元材料的混合制造
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从更长远的角度看，3D打印技术的核心是具备多元材料同时打印的能力。在前面的章节中，我们提到过3D打印机可以打印不同材料制造的部件。例如，一个塑料的挤压机可以这一次用红色塑料打印，下一次用白色塑料；一个金属打印机可以打印夹杂着不锈钢的钛金属。事实上，不同材料组件的联合制造能力可以消除传统组装的挑战和局限，使我们能够制造日趋复杂的物体。但是最令我们对多元材料打印感到兴奋的是，多元材料联合打印不仅能够同时打印多种材料，还能使这些材料模式化为复杂的新的超材料。
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在纸张打印机出现的早期，有些点阵式打印机配有四色色带，可以打印红色、绿色、蓝色和黑色，但是每次只能使用一种颜色。历史上甚至还出现过配有8种颜色、8支钢笔的笔式绘图仪，但需要提前加载绘图仪上你想用的颜色，并且一行只能使用一支笔。
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当打印机在精确率和分辨率不断提高的基础上实现即时混合基色时，打印技术取得了突破。如同从单色打印机过渡到彩色打印机，或从黑白电视过渡到彩色电视一样，只添加三种基色就可以产生数以百万计的深浅色调。随着同时混合打印的基础材料的增加，3D打印机所具备的功能会成倍增长。因为你不仅可以打印这些基础材料，还可以通过基础材料的排列组合打印出基础材料的组合体。
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探索多材料打印的先驱公司之一是Objet公司—位于特拉维夫附近的一家以色列公司，最近并入了Stratasys 公司。我参观了Objet 公司总部，探访其正在进行的研究。位于橘树林旁一个繁华的科技园里，Objet公司正在改变人们对材料的看法。Objet公司的首席技术官爱德华多·纳普达斯和首席材料科学家丹尼尔·季科夫斯基带我参观了接待大厅，那里到处都是多材料打印出来的解剖模型、工业原型和玩具。
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丹尼尔和爱德华多解释说，多材料打印不仅要混合材料，而且要创造出全新类型的材料。
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材料科学家沉迷于新材料，通常是对新材料的新性能和特征（如重量、强度和灵活性）感兴趣。工程师通常对拥有多种性能的组合体更感兴趣，例如同时兼具轻质和强性能的材料，或者同时具备灵活性和光学上的透明度的材料。一些材料的特性是直观的，如密度和灵活性，其他特性则不那么直观，如材料在断裂之前所能持续的拉伸周期，或者在其折断之前能延展的长度。例如，当工程师设计飞机机翼时，由于存在湍流，会对机翼结构施加影响的拉伸周期或者与增压和减压周期相关的机身压力重新核算，这一性能就是所谓的疲劳强度。
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材料性能会复杂到难以理解和预期的程度，而“材料设计”仍然是材料科学的圣杯。3D打印可以在很大程度上增加材料的种类，但问题是我们不知道它的未来走向和未来预期。
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在第一次打印多材料时，直观的感觉是混合材料的性能可能会介于基础材料和主要材料之间。如果将相等的硬质材料和软质材料混合在一起，你将会得到一个半硬半软的材料。但事实证明并不完全如此，最终成型的材料属性取决于你混合材料的方式。
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例如，如果按照棋盘式的图案打印软硬材料，新产生的材料可能会具有一定的硬度。但如果你按照随机样式打印同样两种类型、同样数量的材料，你就会得到硬度更强的新材料。打印模式、不同的材料由打印机依需求混合。
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如果你眯着眼睛低头看棋盘图案，例如棋盘式的地砖，你可以看到黑白交替的对角线。同样，当两种材料以棋盘图案进行打印时，软质材料的长对角线链就会变成“薄弱环节”，使复合材料更软。但如果你按照随机样式将两种材料混合打印，就不存在鲜明的“薄弱环节”，所以整个材料就会变得更硬。
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科学家们很早就知道材料中原子的纳米排列决定了其总体性能。从业者在几个世纪前就指出，随机模式比规律模式更坚硬。铁匠将热金属剑在冷水中进行淬火以使金属能够快速冷却，然后形成任意形状的小晶体，而不是使之慢慢冷却成为柔软、光滑、可锻造的铸铁。但是这是我们第一次能够直接地、明确地控制这些模式。然而目前我们不可能在原子纳米级水平上直接控制，而是在微尺寸的基础上逐渐摸索下去。
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材料的性能可能会变得更奇怪。如果你按照某一模式打印多元材料，其材料特性可能超出基础材料的性能范围。按照某一模式混合软硬材料，你可能得到比其中任一种原始材料更硬的全新的合成材料。如同你把比钢软得多的木头和塑料混合，可能会得到类似钢的材料。
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材料变脆弱的一个原因是，一些小的缺陷会变成微小的裂缝，在材料断裂之前会在结构中加剧。如果我们能够策略性地将软质材料嵌入这些脆弱材料中，这些软质材料的补丁会缓冲这些裂缝，使恶化得以停止，延缓对硬质材料灾难性的影响，使其变得更为坚硬。蚌壳就有类似有趣的性能，但是直到最近，制造这样的材料还仅仅局限在“大自然母亲”的范围。显然我们还不能像自然一样注塑材料。但是有了多材料打印，我们可以随意制造它们。
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还有个例子，与材料的弹性和它们在压力下的弯曲和伸展有关。如果你曾经拉长过橡皮筋，你会注意到橡皮筋被拉得越长，它就变得越细。大多数材料都如此，这就是所谓的泊松效应，它是由首先系统阐述其特征的法国数学家和物理学家西莫恩·德尼·泊松命名的。然而，当你换一种模式将软硬材料进行混合打印，使得材料纵向拉长时，横向也会变宽，这也不是没有可能。具备这种奇异的、反自然材料属性的是一种负泊松比的材料，被称为拉胀材料（Auxetic Material）。
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拉胀材料还没有在自然界发现过，传统的制造技术很难将其生产出来。但如果拥有一台高分辨率的多材料3D打印机，你就可以根据需要制造出拉胀材料并把它们嵌入其他结构中，制造出奇异的机器。例如，利用拉胀材料设计制造出来的汽车可以吸收撞击产生的能量以确保乘客的安全。用拉胀材料和常规材料混合制造的前保险杠能够吸收撞击产生的能量，将其传输分散到不同的方向。
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