康奈尔大学

 

过去三十年间，添加制造技术——也就是能够用几乎任何材料来逐个像素、逐层地自动制作任意造型零件的机器——已经从少数人手中有限而昂贵的原型制作设备发展为小规模商业生产工具，几乎任何人都可以获取。人们已经广泛承认，这场方兴未艾的第二次产业革命将会改变我们生活的每一个方面。显然，我们将看到任何新兴技术都会经历的那种通常的改进：材料选择更多，分辨率更高，印制更加迅速，操作更简便而可靠，而且成本更低。但这种技术接下来将走向何处？

三维印刷只是对规模远更宏大的潮流的一点提示。我们可以将添加制造技术过去、现在和未来的发展看作是人类对有形物体提高控制能力的一连串里程碑。

添加制造技术的行程如今已趋稳健，它的第一段经历是对实现对物件形状前所未有的控制。今天的机器几乎能制造任何材料的物件——从尼龙到玻璃、从巧克力到钛金，而且可以是任何复杂的几何形状。这种能力改变了许多领域，其程度是其它发明成果很少能够达到的——不仅是工程设计，而还包括从生物到考古、从教育到厨艺的各个行业。

或许三维印刷最巨大的影响就是来自于它不管物件如何复杂都可以制造的能力。制作一块实心方砖的成本几乎与制作形状古怪、表面弯曲还有槽口的物件一样。无论是制作哪种物件，印刷机都要来回扫描，每次沉积一层，不同的只是材料沉积的图案罢了。正如印制一张画着一只圆圈的图片所花时间并不会比印制一张世界地图更长，印制一只捕鼠器所需要的时间、资源或技巧也不会比印制一只镇纸更多。无论你如何衡量成本——按生产时间、材料重量、能源消耗还是按生产计划劳动量，增添更多的特性基本上都不会改变成本。有时候增加复杂性反而会减少成本——印制一块有孔的方砖就比印制一块无孔实心方砖更便宜、更快捷。因而增添复杂性的边际成本接近于零，这就与常规制造法截然不同，在使用常规制造法时，每一种新增特性——每增加一个孔眼、表面、凸出部分和角部——都需要增加计划工作的劳动量，要花更长的生产时间、消耗更多的能源，而且还可能消耗更多的原材料。

我们为什么要在意复杂性的边际成本？降低制造复杂产品的成本是件好事，这一点很容易明白，但原因其实却更深刻。当生产相关的成本大幅下降，最终将成本因素排除出局，这时就会引发产业革命。20世纪的产业革命发生之际，便是动力成本急剧下降之时，因为蒸汽机取代了马力和水轮机。结果不仅是这些动力源被取而代之，而且机械所能执行的工作范围和种类也得到极大的拓展，引起了层出不穷的创新，比如铁路和工厂自动化。与此类似，互联网也减少了传播信息的成本，结果也扩大了能够传播的媒体的范围与种类——不仅是在线报纸，而且还有维基百科、博客和用户生成内容。我们可以说三维印刷大幅降低了制作复杂物件的成本。一开始这只是意味着这种技术将会逐渐取代我们曾经采用的那种成本更高的方式。但从长期而言，制造物件的范围与种类却会极大地扩展。

然而与广大的新型设计可能性联翩而至的，却是制造业的个人化。在我们未来设计和消费产品的方式方面，在由谁来设计、在哪里制造这些产品方面，这种趋势都有着深刻的经济影响（Lipson与Kurman，2010年）。最重要的是，任何人都有能力设计和制造复杂产品，而不会遭遇传统制造业在资源和技能方面的障碍，这就会使创新民主化，并释放出人类创造力的长尾效应。此刻去网上浏览一下，你会看到数千种供售的物件随时可以按需印制出来，从定制形状的助听器，到扑翼－悬停的微型飞行器，再到足可乱真的古楔形文字复制品（图1）。

图1 从巧克力到钛金，从生物到考古，再从机器人到航空电子，三维印刷都是将会影响每一个行业、每一门学科的通用技术。资料来源：图1a、1c、1d、1e和1f由康奈尔大学提供和http://creativemachines.cornell.edu提供。图1b由WTWHMedia提供。

我们如今正开始体验这一行程的第二段经历，这就是对物件成份的控制——超越对外部几何形状的塑造，进入对材料内部的内部结构塑造，而且达到前所未有的保真度。凭借多材料添加制造技术，我们能够在材料内部制作材料，将多种材料镶嵌和编制成复杂的图案，并且同时制造交缠的零部件。例如我们可以用软、硬材料印制能够创造出有着稀奇新颖的结构性行为的图案，比如说在受到纵向推拉时就会侧向延展的材料。我们正在打破常规制造法那种每个零件只能用单独一种材料制成的局限性，而能够以微米尺度的精度来规定微结构。由于这样的可能性，我们就能够印制出能够智能增强你独有反手击球能力的定制网球拍，或是专门为你疼痛的背部定制置换脊椎盘植入物。但尽管可能性不可胜计，但甚少理论能够预测这些新材料的属性，也甚少设计师能够运用新的设计空间，因此，要扩大人类的创造力，尚需新的设计工具。

这种对物件形状与成份的控制基本上将影响到所有学科，无一例外。对于涉及到有形物件设计与制造的任何领域（从机械工程到艺术与建筑），都很容易想像得到这样的影响。但添加制造技术还可能改变与工程或制造并无直接联系的领域，比方说三维印刷领域的兴起对医疗应用的改变。

定制形状的假体。三维印刷在健康相关方面最热门的应用便是制作定制形状的复杂假肢和假体装置。许多假体装置面临的关键挑战便是与身体的连接点。例如让假肢连接腔匹配患者骨头突起或肌肉组织的能力在功能和舒适度方面都可以极大提高。在需要考虑假体美观性的许多情况下，定制外部形状、使其与周围相融合或是匹配对称特性的能力也是一项重要的因素。添加制造有能力进一步塑造内部腔型，增添加劲肋，并从非承重零部件上去除材料，这就还能帮助改进装置的重量与强度之比，使其更坚固、更轻巧。面对更多精密的多材料制造，人们可以想像，这类装置的机械性能还能更进一步地定制，从而改进它们的弹性、抗震性和能源性能。造型假肢的第二个例子是助听器。助听器舒适度与有效性的重要行速是它们是否与耳道匹配。三维印刷可以对患者的耳道进行光学扫描，并几乎瞬时定制柔软的假体。

定制植入物。对于髋关节置换植入物而言，一律普适并非好事。用三维印刷来制作定制形状植入物是从自由形状制造最初便开始的。定制形状钛金或铂金植入物可以准确地按合适的尺寸与形状来制成，要么从参数上规定尺寸来匹配患者，甚或直接从需要置换的原骨头、或对称的健康骨头的电脑断层成像（CT）扫描几何图形中制成。由于增加复杂性是不花钱的，印制植入物就能可以超越普通骨头形状而包含各种腔型和连接点，这样就能提高与既有组织接合的相容性、可靠性和有效性。

生物印刷。生物印刷不使用钛和其它工程设计材料，而是直接从生物材料中直接制成植入物（以及其它结构）。早期对三维印刷的尝试是印制具有生物相容性的支架，随后注入活细胞并培养，之后才进行植入。活细胞逐渐取代支架，形成定制形状活性组织植入物。虽说印制支架的使用仍然流行，但如今已经有了直接以生物细胞印制、而根本不需支架的更大进步。这种情况是首先将细胞浸入生物相容的水凝胶油墨（一种生物油墨）中，然后印刷到它们的目标形状上。生物油墨有两种关键的、让它难于开发的矛盾属性：一方面它需要有足够的流动性才能印刷——既要能从喷头流出，同时由不能使那些在它们从打印头中喷出时承受严重剪力的细胞受到损伤；另一方面它又要有足够的硬度，这样在印刷之后才能保持形状，否则这些材料就会渗得一团糟。由于采用了多种化学品和光学交联制剂来解决这一挑战，我们能够直接从CT数据中制成半月板状的软骨植入物。但是与支架注入技术不同，直接以活细胞印制的能力为制造异形组织植入物打开了大门。想像制造像脊椎盘或心瓣膜那样复杂的东西吧，这要涉及到将多种类型的细胞进行复杂的空间布置，而这种安排对于它们的正常功能是至关重要的（Cohen等人，2006年）。

药品筛选模型。以三维尺度制造复杂的多细胞异形组织布置的能力在植入物以外也带来了许多启示。这类机遇之一便是制作药品筛选的模型。药品和其它治疗品历来首先要在类似简单的皮氏培养皿的环境中测试，这些培养皿努力复制药物或治疗品预计实际使用的目标环境。从细胞种类的范围以及它们的空间分布来说，皮氏培养皿或试管相比于实际环境而言比较简单。由于有这样的不相配，往往就需要使用动物模型和其它更精密的高通量测试程序。但三维生物印刷却打开了一扇大门，使我们能够制造更近似于药品目标应用的、空间异形的组织模型。例如我们可以想像，我们可以直接制造有着肿瘤的形状与分布情况的癌细胞，然后直接在体外测试它的治疗品的有效性。这样的实验能够更真实地预测药效，并缩短药品开发的周期。

手术方案。三维印刷另一种没这么突出、但却同等重要的应用是为手术做好准备。非常规、复杂的外科手术往往要在缠结的未知环境中操纵组织和工具。有些手术还需要在患者体内准备并连接永久性或临时性的板子和其它装置。正如第二次拼图会更容易一样，如果外科医生有机会提前演练，就能大幅减少手术的时间并提高可靠性，在第一次施行复杂的非常规手术时尤其如此。例如在兽医学院，受伤的狗来做急诊手术时，我们往往需要从CT扫描图形中以三维印刷的方式来制作一组粉碎的或变形的骨头。外科医生收到印制的骨头，然后演练手术——学会查找碎片、优化重建过程，并提前准备一切必要的板子和夹具。从非官方资料看，这能使外科医生少一半的手术时间，何况还能提高医护的质量。

手术培训。接收培训的外科医生往往能够接触到尖端手术设备和工具，但他们却很少有机会能够在真实病例中用它们来练习。例如受训外科医生就不大可能有机会练习切除脑瘤，因为不大可能找到有这种脑瘤的动物模型或人尸，也不大可能碰巧会有这样的合成培训模型出售。但凭借三维印刷，我们就能记录真实患者相关的典型病例，然后应需复制出来以供练习。有了一些模型后，甚至可能按需组合病例并调整病况的严重性，从而让受训外科医生接受最佳学习体验水平的挑战。由于有了多材料生物印刷，我们可以用生物材料来制作培训模型，从而实现更加真实的培训体验，为学员提供真实湿重组织的感觉和响应。

定制药物治疗。在复合控制至为关键的领域中，三维印刷应用的典型例子是应需生产医疗用药。同时服用多种药物对医生和病人而言都日益形成挑战。如今再不用每天记住服用十来种药品了，印刷机能够为每一名患者制作单独一枚定制药丸，其中包含了患者当日所需药物的准确剂量、成份和配伍。这枚药丸可以带有特殊标记，以消除常规给药方法引起的混淆和不确定性。

食品印刷。食品印刷之于三维印刷，正如视频游戏之于计算机，或许会成为黑马杀手应用。食品印刷建立在与生物印刷一样的技术基础上，以食用油墨来制成食品。“食用油墨”一词在这里颇有点言不尽意：我们所谈及的是巧克力和花生黄油、曲奇饼和糖霜呢。而且不一定会很糟糕：你甚至可以用有机香蒜来印刷，并就地制成山羊酪。下载食谱，将冰冻食品墨盒装满，然后点击打印。食谱会指示将那种原料放到哪里，以及在沉积期间及之后要应用哪种衔接烹饪程序。我们已经用上述以及更多的材料来印刷过了，制成了糖霜点缀的巧克力蜜饯，以及巧克力夹心上印有纵排文字的香草子曲奇。想像这么一台打印机，它的滑键可以任意调节脆度、滋味、颜色和纹理。要不要来份棋盘格千层面嘛？这里的局限只是你的想象力。有些人会觉得印刷食品的想法只是加工食品的一种浓缩，但另一些人却觉得这整个想法有着巨大的创新空间、令人入迷。下载共享食谱，按照自己的喜好来定制变化版本，然后享用专门给自己现做的美味。

这一行程中第三、也是最后一段经历是控制行为，我们才刚刚开始看到这段经历的先兆。本节中我们已经讲述过了仅仅控制物件的形状和仅仅控制它的成份，如今我们将能够任意地依照功能来对这些材料编程——让它们去感知和反应、去计算和表现。最后这一步会模糊材料与代码之间的界限（Gershenfeld，2005年），产生实质上的可编程物体——从控制物体机械功能前进到控制它处理信息和能量的方式。当这一天来临，你基本上可以打印任何东西，从手机到从打印机中走出来的机器人——而且还配有电池。但彼机器人看起来可能完全不象今日的机器人，因为它不会有常规制造法产生的局限性，而且也不会是由人类直接设计的。制造这类任意的、同时包含主动和被动结构的活性系统，这样的能力将敞开一扇大门，它通向设计的新空间和工程的新模式，与生物学并无二致。

过去四十年间，计算机辅助设计（CAD）工具在产品设计过程中发挥了至关重要的作用，但从作用和形式上而言，CAD工具相对来说在很大程度上仍然没有改变。用户界面改善了，几何操纵更加快捷、也更加可靠，图形已经是三维、如照片般真实的了。但从概念上讲，CAD软件如今仍然仅仅是被动三维画图板，它记录我们的意图，但却很少提供它自己的见解或主意。

随着三维印刷技术日益丰富，制造业历来在资源和技能方面的障碍差不多消亡殆尽。如今的局限仅在于我们的想象力，而遗憾的是，我们的想象力也确实有限。我反复地看到过新入校的学生面对CAD的空白页，却只能用三维印刷机无穷的能力来设计出方方正正的物体，上面加一点直线槽口。在很大程度上，这是一种文化蒙蔽，它源自多年对屈从于传统制造法制约性的批量生产物体的耳濡目染。但在另一方面，这也是由于常规CAD工具形成的设计思维，以及缺少能够发挥三维印刷能力所提供的巨大设计空间的新型设计工具。

很明显，尽管在可预见的未来中，典型的CAD模式仍将占据主导地位，但设计工具的新模式已经崭露头角（图2）。

随着我们控制材料形状、成份及表现的能力提高，将几何形状和材料规格看作是编程而不是绘图，这样会更恰当。例如你想要制作一个螺旋形表面，带有一些呈半规则分布的椭圆孔。用传统的制造技术来制作这样的东西将是复杂而昂贵的苦事，因此，即便在先进的CAD选项菜单中能找到这样的能力，它们也会是深深隐藏的。这件工作需要多个步骤，而且简直要让CAD软件崩溃。但在解除了传统制造法的制约后，越来越多的设计师想要简便、快速地探究的便正是这样的几何图形。为什么不呢？实际上癫狂的形状多过规则的形状，只不过当前难于去探究它们。用程式化构造程序来描绘这种带孔螺旋形状或许比目标几何更容易（Pasko等人，2011年）——换言之，也就是用计算几何、而不是画法几何，这很像生物学用发育过程来描绘表型，或是像软件工程师描述动态网页的外观。

图2 新的CAD。它超越几何建模，采用交互进化、通过程式化构造算法来描述产品，或是通过自动汇编高级要求和制约条件来描述。资料来源：图2a由康奈尔大学和http://endlessforms.com提供。图2b：帕斯科（Pasko）等人2011年的著述，由TurlifVilbrandt提供。图2c由JonHiller设计，由康奈尔大学和http://creativemachines.cornell.edu提供翻印版。

设计的另一种方式是指定设计需要达成什么，而不是它应当看起来是什么样子，然后便交由机器来按照你的规范进行编译。某些产品会很适合这种设计流程，尤其是纯功能性产品。例如，我们可以想一下设计支承托架的任务。我们知道载荷及支承接触点的几何限制、需要承载的重量以及材料属性。指明这些要求，按下设计按钮，然后坐观最佳设计如何自动出现。最佳设计不会是带有方形槽口和孔眼的砖块，屏幕上出现的会是有机形状的优化结构，带有形状漂亮的空腔——人类的设计师用手工要花上多年时间才能设计出这样的结构。现在又假定这托架无法安装，因为一条管子伸进了托架的位置。这不成问题——添加管子凸出的制约条件然后重新编译。通过指明目标行为和制约条件来编程，然后将它编译成功能几何图形，这样就能解决复杂的要求，而且能够在多材料三维印刷可供使用后最佳地运用它所提供的新型制造能力。从某个方面而言，设计师便成了用户，而CAD软件则便成了设计师。

如果需要的物件不能定量描述，结果会怎样？在设计有着让量化无能为力的美学成份的物件时就常常会出现这种情况。想像你需要设计一只香水瓶。这件设计的某些方面是可以定量规定的，比如所需的容量与尺寸，但其它方面却更难描述，比如外观和触感。此外，那些娴于估量香水瓶的人或许无意涉足CAD语言。但新型CAD软件却能展示众多原创设计概念，并使专家能够指示出他们喜欢哪一种，或者换个更委婉的说法：他们最不反感的哪一种。在取得这样的信息后，机器就能开始自动推断出设计师所想到的一种美感，并能生成一组新的解决方案，它们仍会遵守定量要求——比方说瓶子的容量和尺寸，但它们会更加贴近设计师的审美偏好。通过按照某种序列的解决方案和选择来重复这一过程，CAD技巧相对并不娴熟的设计师或许就能够设计出复杂的香水瓶。重要的是设计师实际上可能产生新的想法，而且可能忍不住进入设计空间中前无古人的新天地。EndlessForms网站的访问者（Clune和Lipson，2011年）已经用这种程序来协作设计了从家具到面孔、从瓶子到蝴蝶的物体。

如果我今天想要设计一只牙刷来让我的三维打印机印出来呢？要说我能设计出良好的、符合人工学的安全牙刷，这不大可能。尽管牙刷似乎是件简单的产品，但要成功设计一只牙刷也需要多年的经验和实际知识。然而随着三维印刷机的问世，很可能人们就会想要这么干——设计自己的产品，哪怕几乎毫无经验、而且也不大耐烦去学。解决方案或许是采用简单的、专用于小范围产品的CAD应用程序，其中包含所有相关知识，但却向用户提供程度合适的灵活性。这种FabApps（丹尼尔·柯亨（DanielCohen）和杰弗里·李普顿（JeffreyLipton）发明的词）类似于花99美分就可以下载的iPhone应用程序，它们专用于设计一件特定产品。与通用型CAD不同，FabApps采用广泛的内置实际技能来引导用户设计一件物品，并确保产生的产品能够成功。一套牙刷应用程序会询问你的手和口部的尺寸，处理你面部和手掌的图片，引导你浏览五十种不同选项，再询问二十项问题，然后生产出独一适合你需求、而且保证成功的完美牙刷。

三维印刷只是对人类提高有形物体控制能力的一连串里程碑的提示。如果说人类因能制造工具而不同于自己的进化祖先，那么添加制造便代表着终极工具——或许以我们无法预想的方式来永远改变人类文化。

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