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3D打印：从想象到现实 [:1700398879]
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活性系统打印：打印完整的机器人
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到目前为止，不论材料是硬或软，是弹性或坚硬，本章所讨论的都是被动材料打印。被动材料以一种可以预知的机械方式对所处的环境做出反应。未来，我们将打印能够行动、反应、感知、运算和回应周边环境的活性材料。对打印活性材料的探索时断时续，所以目前大部分杰出的3D打印作品不论大小、复杂程度，仍属于被动打印的范畴。
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目前活性材料打印取得的初步成果是打印导电材料。我们已经知道如何打印金属，而金属是很好的导体，那还存在什么问题呢？目前的挑战是如何在非导电材料中嵌入导电材料，比如塑料绝缘体包裹的铜线。如果能够在非导电体中打印导体，那么你就可以用预装配的线束打印机器人、用复杂的定制的天线打印手机、用内置传感器打印假肢以及新型消费电子设备。
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打印导线面临着双重挑战—超出了多材料打印的能力。这个挑战是要确保两种材料可以相互兼容。如果你尝试同时打印金属和塑料，金属熔化的温度就会烧掉塑料，导致两种材料无法相容。
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找到熔融温度较低、与塑料相容的特殊导电金属的可能性也是存在的，但是这些材料很少，也很难被利用。另外，也可能会找到非金属导体，例如导电塑料，但是并不会像金属那样实现完全导电，所以探索仍在继续。
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在Objet公司，对于打印在非导电结构材料内嵌入的导电材料，爱德华多和丹尼尔信心满满。他们坚持认为问题不在于技术，而是商业优先权的问题。工业领域渴求更强大、更耐用的3D打印材料。导电材料在短期内难以进入商业视野，它们还不属于优先考虑的事。
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这就形成了一个恶性循环：工业需要更强大的材料，以期超越已有材料和传统制造技术的能力。任何形式的传统制造都不可能达到制造嵌入式3D导线的能力。除了少数前卫的机器人设计师，3D打印线路还没有市场需求。
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然而，学术界的任务是要超越短期视野并看得更远。展望长远的未来，导电材料将只是活性材料的冰山一角。目前，很少有研究人员在研究电池、电机和驱动器、晶体管和传感器的打印。
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虽然我们看到的是活性材料，但实际上我们讨论的却是活性系统。就自身而言，活性材料几乎毫无用处，通常是将多种积极材料混合才会有所应用。如何从打印被动的单一材料零部件过渡到打印活性的、多材料集成系统是当前面临的挑战。
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集成系统的一个很好的案例就是3D打印电池。如果你翻开一本电池化学课本，你会发现很多制造电池的方法：标准碱性电池、可充电锂离子电池、锌空气电池等。所有电池都具备相同的基本结构：正极材料和负极材料，中间有“分离层”，像个奶酪三明治，上面是白面包，下面是全麦面包。这个大而薄的“三明治”被卷起并装进筒内，与两根电线相连：一个连接正极，一个连接负极。
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图14–4 打印出来的电池
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图14–5 埃文·马龙的3D打印机器鱼、电池和驱动器（2010年）。还没有完全打印出来
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电池工作的原理是：正极中的离子（带电原子）会移动到负极。它们在移动过程中产生电流。正极材料和负极材料（面包）、分离层（奶酪）和电池类型的不同组合，会形成不同的电池种类和性能特征。
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首个机器人出现在《时代周刊》之后不久，埃文·马龙加入了我们在康奈尔大学的实验室。埃文当时的目标就是要打印一个能走出打印机的机器人。在面临其他技术挑战之前，他首先必须面对一个更具挑战性的问题，即当时的商用打印机制造商只允许本公司员工开拓新材料的打印机。3D打印机制造商会竭尽全力地保护自己的专利材料，使用任何未授权的材料将不再保修。而且，任何一个理性的研究者都不会只为了看打印机堵塞和停止工作而将活性材料塞进价值10万美元的机器里。
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探索不受现有商用打印机限制（技术壁垒和合同限制）的新材料激发了Fab@ Home项目组（某种意义上讲也叫RepRap项目）的研究热情，也带动了后续一系列开源3D打印平台的开发。简而言之，低成本的DIY打印机更具创新性，而且如果停止工作，使用者承担的风险更低。
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埃文使用相关材料加载了3D打印机，马上遇到了第一个障碍：正极材料和锌粉变成了糊状物，不能通过喷针流动。他越用力越流不动。
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当埃文用各种肥皂和胶水克服了糊状物的问题后，他又遇到了新的挑战。多数电池中都有纸质分离隔层，甚至我们家中使用的电池也有纸质隔层，分隔正负极材料（就像是两片面包之间的芝士一样）。而分离隔层不能是任意材料，必须具有半渗透性，只能让离子穿透，不能让电子穿透。纸质材料就具有这些特性，但有讽刺意味的是，我们能打印几乎所有东西，就是不能打印纸。经过数月实验之后，埃文发现了一种由某种胶质制成可打印的分离隔层的方法。
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有了这个新方法，埃文用5种材料打印出了不同型号的电池。虽然这些电池的电容量只有相同体积工业电池的一半左右，但它们的形状完全可以定制。他可以打印出各种形状的电池，如做成腿的形状，以作为机器人的一部分。
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打印驱动器，即可移动的活性材料系统，是一个更难解决的问题。现在我们虽然可以打印出电动高分子驱动器、蜡质驱动器甚至是电磁驱动器，但是要把这些性能综合到一起就没那么简单了。单一的驱动器并不能满足我们的要求，而一块单独的电池也是不够的。活性多材料打印的最终意义在于能够创造出从打印机里走出来的完整的机器人，包括电池。
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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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