圖片來源：Song et al., Sci. Adv. 2021; 7: eabf3804

神話中的神筆馬良，能將筆下的圖畫變成現實。而近日，來自韓國首爾大學的研究團隊，用一支“馬克筆”做到了這一點。在用這隻神奇的馬克筆作畫後，只需要將圖畫在溶液中浸泡3分鐘，圖畫中的2D形狀就能“跳”出紙面，變成3D結構。

“神筆馬良”的故事，我們都不陌生。馬良在夢中獲得的神筆，能將圖畫變成現實。近日，在一項發表於《科學·進展》的研究中，科學家利用奇妙的物理化學反應，也創造了一隻“神筆”，能在石頭上直接畫出立體的花。

這其實是由韓國首爾大學的生物工程學家研發的4D列印技術：利用兩種特殊染料在2D平面上作畫，再將圖畫在過硫酸鉀溶液中浸泡3分鐘，即可將其轉變為3D物體。

含有表面活性劑（左圖紅色）與不含表面活性劑（左圖黑色）的顏料呈現出不同的性質。（圖片來源：研究論文）

2017年，普林斯頓大學的工程學家塞皮德·胡拉帕拉斯特（Sepideh Khodaparast）及其團隊也注意到了這一現象。他們用馬克筆在玻璃上寫字後，將玻璃以1 μm/s的速度緩慢地浸入水中，結果發現字跡從玻璃表面完整地脫落。該團隊隨後於《物理評論快報》（Physical Review Letter）上發表論文，對該現象的物理學機制做出了說明。論文指出，馬克筆的筆跡在風乾後會形成一層疏水薄膜。將筆跡浸入水中時，由於薄膜與玻璃之間的附著力小於水-空氣介面的表面張力，水溶液能夠慢慢滲入薄膜和玻璃之間，並最終將薄膜從玻璃上剝離。研究團隊把這種現象稱為毛細管剝離現象（capillary peeling）。

“胡拉帕拉斯特團隊從物理學的角度解釋了該現象，我們則更加關注馬克筆顏料的獨特性，”Song表示，“我們用多種馬克筆進行了實驗，發現只有顏料中同時含有聚乙烯醇縮丁醛（PVB）和表面活性劑的馬克筆，才能夠出現毛細管剝離現象；如果不含表面活性劑，筆跡也不能從玻璃上脫離。”

這正是Song及其團隊提出的4D列印技術的靈感來源。基於以上發現，他們開發出了紅色和黑色兩種顏料。這兩種顏料都含有PVB，但不同的是，紅色顏料中含有表面活性劑，因此能夠從玻璃等基質上脫離，並漂浮在水面上；而黑色顏料中不含表面活性劑，因此仍然附著在基質上，起到固定紅色顏料的作用。在用兩種顏料進行繪畫後，將影象浸泡在水溶液中，紅色顏料就可以漂浮起來，形成立體結構。“2D影象的形狀以及水位的高低，共同決定了最終的3D結構。透過計算機模擬，我們能夠對物體的最終形狀進行預測，這讓精準設計成為可能。”Song表示。

但僅僅有這兩種顏料還不夠。研究團隊發現，如果用純水浸泡馬克筆字跡，那麼形成的3D結構將在離開水溶液後，因失去表面張力的作用而迅速變形。為了解決這個問題，研究團隊從以往的研究中尋找線索。他們注意到，亞鐵離子和過硫酸根反應生成的自由基，能夠形成水凝膠，進而包裹在聚合樹脂和陶瓷等多種材料上，避免材料變形。

受到啟發，研究團隊在紅色顏料中加入了少量的亞鐵離子，並將水溶液換為質量濃度為50%的過硫酸鉀溶液。實驗結果表明，PVB薄膜表面形成了一層300微米的水凝膠，將3D物體的剛度提高至原來的1000倍。Song表示：“這層凝膠不僅可以將物體定型，同時也賦予了物體厚度，讓它更加立體。”

除了讓石頭開花之外，這隻“神筆”還可以在手套上畫出展翅的蝴蝶、在樹葉上繪製正欲起跳的青蛙。在論文中，研究人員嘗試了在手套、玻璃、陶瓷、樹葉、金屬和石頭上作畫。在進行3分鐘的浸泡後，這些圖畫均可成功實現2D到3D的轉變。論文寫道：“筆是我們最常用的表達工具，同時也是最具有創造力、最方便和最熟悉的……以筆作為載體的4D列印技術，能讓我們在列印基質的選擇上，具有更多的靈活性。”

更為神奇的是，這隻“神筆”還能完成一些看起來不可能的任務，例如“不可能的瓶子”（impossible bottle），即把一些比瓶口大的物體裝入瓶內，“瓶中船”就是一個例子。在本研究中，研究人員把寫有字母的聚二甲基矽氧烷薄膜捲起來裝入瓶中，然後透過浸泡，讓字母從薄膜上脫落，形成立體結構。

又一個奇思妙想？

這項研究看上去似乎只是科學家的奇思妙想，但其實它在嘗試解決製造業的一個瓶頸問題。

我們所製造的許多物品都侷限在二維平面中，需要透過機器或人工的方式進行組裝。這樣製造出的物品，不僅需要耗費額外的時間與勞動力，而且在複雜度和精巧度上也有所欠缺。而3D列印技術能夠很好地解決這個問題，其本質是二維平面的層層堆疊：3D印表機按照計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）檔案中給出的數字模型，從下至上層層列印，最終無數個二維平面堆疊為一個三維物體。透過這一技術，我們能夠直接打印出由塑膠、金屬、粉末或活細胞等多種材質製成的3D物品。

儘管如此，製作CAD檔案較為複雜、3D列印耗時較長、成本高昂等限制因素，使得3D列印技術距大規模使用仍存在一定距離。科學家希望，能夠將2D列印的便捷性與3D列印的精巧性結合起來——4D列印技術由此誕生。

“4D列印在3D列印的基礎上，增加了‘時間’這個維度。在4D列印中，平面形狀在電壓等外部因素作用下，可以摺疊、彎曲從而變成3D結構。利用4D列印，我們可以先大規模地印刷出2D圖形，再把它們運輸到各地，在當地完成2D到3D的轉變。這將大大減少運輸和儲存的成本，”Song解釋道，“但之前的4D技術往往依賴於智慧材料，比如擁有形狀記憶功能的合金，這使得其成本十分高昂……而我們的技術只需要一支筆和過硫酸鉀溶液。”

為了展示該技術在大規模應用上的潛力，研究人員不僅展示瞭如何用機械臂大批次繪製2D圖案，同時還搭建了流水線，實現了2D-3D轉化過程的自動化。在流水線上，首先由機械臂繪製2D圖案，然後這些圖案被運到過硫酸銨水槽中浸沒3分鐘，產生3D結構並被定型。研究論文指出：“採用這套方法，我們可以在30分鐘內，製作60個3D物品。儘管目前流水線生產的物品在形狀上還存在微小的差異，但是我們相信這種差異會隨著自動化程度的提高進一步減小。”

下一步，研究團隊將探究如何賦予顏料更多的功能性。目前，由於顏料中含有亞鐵離子，因此製造的物體具有磁性，能夠對磁場產生響應。Song表示：“這一特徵使該技術有望用於磁力驅動的軟體機器人的製造，它能夠解決軟體機器人領域難以製造出複雜且靈活的3D結構這一問題。我們目前正在篩選具有不同的力學效能的材料，以更好地吻合軟體機器人在設計和製造上的需求。”

而在製造業之外，這項技術也可能大放異彩。正如韓國國立蔚山科學技術院的材料學家Jiyun Kim所說：“人們對於手繪有種樸素的熱愛。能夠看到自己筆下的一切變為現實，將是一件非常有趣的事情。這也是為什麼我覺得，在其科學價值之外，這項技術也擁有獨特的藝術價值。”或許今後，人人都能成為神筆馬良。

撰文：洪藝瑞

審校：吳非

參考文獻：

Khodaparast S, Boulogne F, Poulard C, et al. Water-based peeling of thin hydrophobic films[J]. Physical review letters, 2017, 119(15): 154502.

Lee S, Song S W, Choe J K, et al. 2D to 3D transformation of pen-drawing[C]. CBMS (Chemical and Biological Microsystems Society), 2020.

Ma S, Yan C, Cai M, et al. Continuous Surface Polymerization via Fe (II)‐Mediated Redox Reaction for Thick Hydrogel Coatings on Versatile Substrates[J]. Advanced Materials, 2018, 30(50): 1803371.