亚体素控制有多牛？斯坦福3D打印技术让一个零件同时变电池、传感器和培育肉支架

斯坦福大学机械工程助理教授娜塔莉·拉森最近在琢磨，怎么让同一个3D打印零件同时担当好几种功能。

她手里的技术，能在同一根打印丝材里同时挤出并控制多种材料。

这套方法的用途从实验室培育肉，到车辆结构电池，再到国防资助的超材料，跨度大得让不少人意外。

拉森在斯坦福工程学院带一个多材料3D打印实验室。

她刚拿到海军研究办公室颁发的青年研究员计划奖，用来开发国防相关的天线和超材料技术。

她把这个技术的核心方法叫亚体素控制。

简单说，就是在一个打印体素内部，把多种材料排成想要的图案。

不是像普通打印那样，每个打印单元只能用一种材料。

拉森说，3D打印本来就是从3D模型出发，一层一层或者一个体素一个体素把物体堆出来，和雕刻那种减材制造正好反过来。

她的实验室有一台定制的旋转式多材料打印平台，和常规的逐层堆叠很不一样。

这台机器能同时把多种材料挤出成丝，在材料内部做出类似象鼻和章鱼手臂里的那种精细结构。

在拉森看来，象鼻和章鱼手臂的灵巧，靠的正是这种藏在内部的多材料排布。

这套精度，正好是拉森一个比较特殊的应用，3D打印培育肉。

传统畜牧业要占很多土地、水和饲料资源，排放的温室气体占全球总量的14.5%。

拉森的实验室和斯坦福的几位同事，莎拉·海尔肖恩、海伦·布劳和艾伦·库尔，正在一起做这件事。

项目得到斯坦福可持续发展加速器的支持，目标是拿动物细胞做出厚切牛排那种培育肉。

亚体素技术让团队能同时挤出肌肉和脂肪生物墨水，再用一种可溶解的牺牲墨水搭出临时通道。

这些牺牲墨水溶解之后，留下的通道刚好用来输送营养。

拉森说，这解决了培育肉生产里一直存在的可扩展性和消费者接受度问题。

同样的打印方法也延伸到了机器人领域。

拉森实验室为软体机器人打印材料，这种机器人用柔韧、可挤压的材料做成，不是刚性的金属或塑料。

软体机器人可以和精密系统安全交互，比如在医疗场景里处理人体组织，或者去摘浆果那样柔软的水果。

拉森团队现在的目标，是做出能复刻人类指尖感官灵巧性的软体材料。

他们把传感器和执行器直接做进复杂、可编程的几何结构里。

结构电池是另一个方向。

拉森实验室和副教授亚当·博伊斯合作，把多材料打印用到结构电池复合材料上。

这个项目由斯坦福Precourt能源研究所和可持续出行中心资助。

目标是做成一种单一打印材料，替代轻量化车辆和飞机上常用的碳纤维复合材料。

这种材料既要能储存可充电的能量，又要能承受机械载荷。

也就是说，同一个零件可能一边当车体结构，一边当电池。

除了实验室自己的项目，拉森也提到，3D打印在需要高度定制化、小批量零件的领域早就有了位置。

助听器、牙齿矫治器、假牙，这些已经是3D打印的标准生产方法。

相比传统制造，它们更快，贴合度也更好。

她觉得3D打印在这些地方还有可持续性上的好处。

不需要开模具，需要多少就打多少，不用在仓库里堆库存。

还可以在现场做分布式制造，减少运输带来的能耗和浪费。

海军研究办公室给的那笔奖，接下来会资助多材料打印技术，用于国防领域的螺旋架构超材料和天线。

这建立在她亚体素研究已经展示出的几何精度上。

拉森还在和斯坦福教授埃里克·达尔夫合作，由博士生伊莉斯·杨牵头，开发新的4D成像和计算机视觉技术。

所谓4D，就是三维空间再加上时间这个维度。

这套技术是为了研究多材料打印过程，最终让整个过程自动化。

拉森说，自动化主要想减少长时间校准和打印失败造成的浪费，同时把创新速度提上去。

说到更远的打算，拉森实验室的大愿景是推进制造工艺，做出新型多功能材料，甚至最后的活体材料。

她希望把现在制造方法里彼此分离的功能，一步步整合到同一个打印零件里。

拉森这套亚体素平台，其实是站在近十年来逐体素多材料打印方法的基础上。

大家的目标都一样，想一次性做出完整的、能直接用的功能对象，而不是先把零件一个个打出来再拼起来。

除了拉森，其他实验室也有类似的尝试。

哈佛大学的研究人员做过一个叫MM3D的多材料多喷嘴3D打印。

它用一个带多个内部通道的喷嘴，每秒最多能切换50次，在最多八种不同材料之间来回换。

这样就能在单个零件里把软材料和硬材料排在一起，调节零件的柔韧性或抗压性。

麻省理工学院那边，最近也搭了一个多材料挤出平台，能在现场用一个制造步骤做出一个能转的电动机。

这样做是为了减少电机生产和替换对集中式供应链的依赖。

这些研究都是在单个打印对象里组合材料。

拉森的工作把同样思路推向了更细的分辨率。

她能在单个体素里面控制材料排布，而不只是靠喷嘴在不同材料之间切换。