WEBVTT

00:00:00.949 --> 00:00:02.773
我今天非常荣幸在此

00:00:02.773 --> 00:00:05.062
与大家分享我们最近两年

00:00:05.062 --> 00:00:07.242
所致力研究的成果，

00:00:07.242 --> 00:00:09.796
这些成果是在积层制造领域取得的，

00:00:09.796 --> 00:00:12.513
也就是所谓的3D打印。

00:00:12.513 --> 00:00:14.231
大家可以看下我手里这个东西。

00:00:14.231 --> 00:00:18.039
看似简单，但又相当复杂。

00:00:18.549 --> 00:00:21.800
这是一个同心和密网格结构的组合，

00:00:21.800 --> 00:00:24.795
每个部分都彼此相连。

00:00:24.795 --> 00:00:30.797
它并非传统制造技术所能完成。

00:00:31.343 --> 00:00:35.290
结构具有对称性，因此不能注塑模具。

00:00:35.424 --> 00:00:39.279
甚至不能通过铣削制造。

00:00:39.279 --> 00:00:42.107
这需要3D打印技术来实现，

00:00:42.107 --> 00:00:46.598
但大多数3D打印机需要
3-10小时来完成整个制造过程，

00:00:46.598 --> 00:00:50.824
今晚我们会尝试用
我上台演讲的10分钟时间

00:00:50.824 --> 00:00:53.401
来完成这个制造过程。

00:00:53.401 --> 00:00:54.970
祝我们好运吧！

00:00:55.849 --> 00:00:59.554
“3D打印”的叫法其实并不恰当。

00:00:59.564 --> 00:01:03.859
技术的本质是反复进行二维印刷，

00:01:03.919 --> 00:01:08.391
采用的是二维印刷的相关技术。

00:01:08.391 --> 00:01:13.750
试想你正在使用喷墨打印机
在纸上打印文字，

00:01:13.750 --> 00:01:18.346
反复进行这一过程
就可以构建一个三维物体。

00:01:18.346 --> 00:01:20.317
在微电子学中，

00:01:20.317 --> 00:01:22.737
人们使用相同原理的光刻技术，

00:01:22.737 --> 00:01:24.885
来制造晶体管和集成电路，

00:01:24.885 --> 00:01:26.997
反复构建一个结构。

00:01:26.997 --> 00:01:29.399
这些都是二维印刷技术。

00:01:30.099 --> 00:01:33.987
我是个化学家，也是材料学家，

00:01:33.987 --> 00:01:36.571
我的发明伙伴也都是材料学家，

00:01:36.571 --> 00:01:39.010
一个是化学家，一个物理学家，

00:01:39.010 --> 00:01:41.936
我们开始对3D打印产生了浓厚的兴趣。

00:01:41.936 --> 00:01:46.791
大家知道，新颖的想法往往只是一些

00:01:46.791 --> 00:01:51.034
不同机构里跨领域跨背景的人
相互沟通后的产物，

00:01:51.034 --> 00:01:52.751
而这就是我们的故事。

00:01:54.461 --> 00:01:56.595
我们的灵感来源于

00:01:56.595 --> 00:02:00.893
《终结者2》的机器人T-1000
出现的一个场景，

00:02:00.893 --> 00:02:06.616
而后我们就产生了这样的疑问：为何3D打印机
不能通过这样的方式来运行？

00:02:06.616 --> 00:02:10.341
让一个物体从液体中成形，

00:02:10.341 --> 00:02:13.520
达到实时完成并

00:02:13.520 --> 00:02:15.749
避免造成浪费的目的，

00:02:15.749 --> 00:02:17.971
又能制造出很棒的物体。

00:02:17.971 --> 00:02:19.418
就像电影中那样。

00:02:19.418 --> 00:02:22.877
我们可否取材好莱坞，

00:02:22.877 --> 00:02:26.294
找出办法真正尝试实现这一效果？

00:02:26.294 --> 00:02:28.450
这就是我们面临的挑战。

00:02:28.450 --> 00:02:31.787
而我们的思路是，
如果我们能做到，

00:02:31.787 --> 00:02:35.471
那我们就可以从根本上解决

00:02:35.471 --> 00:02:38.086
阻碍3D打印进入制造工程的三个难题。

00:02:38.086 --> 00:02:40.617
首先，3D打印耗时太长。

00:02:40.617 --> 00:02:45.841
甚至某些蘑菇生长速度
都比3D打印制造还快。（笑声）

00:02:47.111 --> 00:02:49.417
积层叠加的制造工艺

00:02:49.417 --> 00:02:52.209
使得机械性能存在缺陷，

00:02:52.209 --> 00:02:56.266
如果能实现无间断制造，
就可以消除这些缺陷。

00:02:56.266 --> 00:03:00.808
事实上，如果生产速度够快，
也可以开始使用

00:03:00.808 --> 00:03:05.912
自凝材料，取得材料特性上的突破。

00:03:05.912 --> 00:03:09.971
如果我们能成功模仿好莱坞，

00:03:09.971 --> 00:03:12.912
我们就可以真正解决3D制造问题。

00:03:14.612 --> 00:03:17.953
我们的方法是使用高分子化学领域中的

00:03:17.953 --> 00:03:20.553
常识性知识，

00:03:20.553 --> 00:03:27.152
通过控制光和氧气来进行无间断制造。

00:03:27.152 --> 00:03:30.099
光和氧气的作用不同。

00:03:30.099 --> 00:03:33.141
光可以将液态树脂转换成固体，

00:03:33.141 --> 00:03:35.295
即把液体转换为固体。

00:03:35.295 --> 00:03:38.829
氧气则可抑制这一过程。

00:03:38.829 --> 00:03:41.886
所以从化学角度看，

00:03:41.886 --> 00:03:44.603
光和氧气的作用彼此对立，

00:03:44.603 --> 00:03:48.001
我们要是能立体地控制光和氧气，

00:03:48.001 --> 00:03:49.948
我们就可以控制制作过程。

00:03:50.288 --> 00:03:53.739
我们将这个过程称为
CLIP（无间断液态界面印制法）。

00:03:53.739 --> 00:03:55.615
CLIP有三个功能组件。

00:03:56.285 --> 00:04:00.326
第一个是用于存放液体的容器，

00:04:00.326 --> 00:04:02.205
就像液态金属机器人T-1000。

00:04:02.205 --> 00:04:04.461
容器的底部有一个特殊窗口。

00:04:04.461 --> 00:04:06.112
我等下会谈到。

00:04:06.112 --> 00:04:09.892
组件二是一个平台，可下降至容器，

00:04:09.892 --> 00:04:12.481
把物体从溶液中径直拉出。

00:04:12.481 --> 00:04:16.285
第三部分是数字光投影系统，

00:04:16.285 --> 00:04:18.305
位于容器的下方，

00:04:18.305 --> 00:04:21.577
可提供紫外光区域的照明。

00:04:22.048 --> 00:04:25.271
关键就在于容器底部的窗口，

00:04:25.271 --> 00:04:28.150
这是一个复合体，
一个非常特殊的窗口

00:04:28.150 --> 00:04:31.796
不仅透光，而且透氧。

00:04:31.796 --> 00:04:34.455
性质与隐形眼镜相似。

00:04:35.435 --> 00:04:37.716
这里可以看到这个过程是如何进行的。

00:04:37.716 --> 00:04:41.130
大家可以看到，
当架台降低到那里，

00:04:41.130 --> 00:04:45.309
传统制造使用不透氧窗，

00:04:45.309 --> 00:04:47.148
可以制造出二维图案，

00:04:48.008 --> 00:04:51.370
并最终用传统的不透气窗口
将图案粘合到窗口上，

00:04:51.370 --> 00:04:54.922
因此，要形成下一层，
你必须将其分开，

00:04:54.922 --> 00:04:58.451
重新添加树脂、重新定位，

00:04:58.451 --> 00:05:00.910
并重复完成这个过程。

00:05:01.190 --> 00:05:03.554
但用我们的特殊窗口，

00:05:03.554 --> 00:05:06.563
我们可以让氧气从底部进入，

00:05:06.563 --> 00:05:07.816
当光线击中氧气，

00:05:09.256 --> 00:05:11.926
氧气就会抑制反应，

00:05:11.926 --> 00:05:14.550
形成一个无感区。

00:05:14.550 --> 00:05:18.869
无感区大约有几十微米厚，

00:05:18.869 --> 00:05:22.036
大约是红细胞直径的两三倍，

00:05:22.036 --> 00:05:24.627
位于窗口接口处依然可以保持液体状，

00:05:24.627 --> 00:05:26.577
然后我们把这物体拉出，

00:05:26.577 --> 00:05:28.969
正如我们在《科学》杂志中介绍的，

00:05:28.969 --> 00:05:33.682
我们只要改变氧含量，
就可以改变无感区的厚度。

00:05:33.682 --> 00:05:37.374
因此我们控制了一些关键变量：
氧含量、

00:05:37.374 --> 00:05:40.439
光、光的强度、凝剂剂量、

00:05:40.439 --> 00:05:42.401
粘度、形状结构。

00:05:42.401 --> 00:05:45.817
我们用非常精密的软件
来控制这个过程。

00:05:46.547 --> 00:05:49.460
得出的成果是相当惊人的。

00:05:49.460 --> 00:05:53.196
与传统的3D打印机相比，
这要快25到100倍，

00:05:54.156 --> 00:05:56.170
这是划时代的变革。

00:05:56.170 --> 00:06:00.506
另外，随着控制接口
液体调节的能力提升，

00:06:00.506 --> 00:06:04.246
我相信打印速度可以再快1000倍，

00:06:04.246 --> 00:06:07.803
而这同时开启获得大量热量的机会，

00:06:07.803 --> 00:06:11.866
而作为一名化学工程师，
我热衷于热量的转化，

00:06:11.866 --> 00:06:16.045
未来也许会出现水冷式3D打印机，

00:06:16.045 --> 00:06:18.437
因为打印的速度太快了。

00:06:18.437 --> 00:06:22.500
另外，因为我们生长式的制造方式，
摒弃了传统的积层制造，

00:06:22.500 --> 00:06:24.474
部件的整体性得到提升，

00:06:24.474 --> 00:06:26.374
你看不到表层到结构。

00:06:26.374 --> 00:06:29.057
可以得到分子级的平滑表面。

00:06:29.057 --> 00:06:32.387
3D打印的大部分部件

00:06:32.387 --> 00:06:37.353
并不受欢迎，
这是因为层式结构导致其机械特性

00:06:37.353 --> 00:06:41.254
取决于你打印时的方向和定位。

00:06:41.254 --> 00:06:43.699
但当你通过生长式的方式打印，

00:06:43.699 --> 00:06:47.368
物体的特性不会因打印方向而变。

00:06:47.368 --> 00:06:50.317
这些看起来更像浇筑零件，

00:06:50.317 --> 00:06:54.079
与传统的3D制造大不一样。

00:06:54.079 --> 00:06:57.089
此外，我们能够利用

00:06:57.089 --> 00:07:00.705
整本高分子化学课本的知识，

00:07:00.705 --> 00:07:04.826
设计出合适的化学材料，
来制造你真正在一个3D打印零件中

00:07:04.826 --> 00:07:07.868
所期待的特性。

00:07:07.868 --> 00:07:09.205
（掌声）

00:07:09.205 --> 00:07:12.439
做好了，非常棒！

00:07:14.049 --> 00:07:17.627
在台上做这样的事总会担心它不成功，
对吧？

00:07:18.037 --> 00:07:21.056
但是我们的材料有强大的机械特性。

00:07:21.056 --> 00:07:23.494
这是第一次，我们可以制作高弹性

00:07:23.494 --> 00:07:25.955
或高阻尼系数的弹性体。

00:07:25.955 --> 00:07:29.288
试想用它们进行振动控制
或者制作优质运动鞋。

00:07:29.288 --> 00:07:31.978
我们可以制造出超高强度材料，

00:07:32.828 --> 00:07:36.404
具有高强度重量比，
真正的超高强度材料，

00:07:36.404 --> 00:07:38.517
真正超弹力材料，

00:07:38.517 --> 00:07:41.242
那么我抛给在场的观众感受一下。

00:07:41.242 --> 00:07:43.878
这些都是伟大的材料特性。

00:07:43.878 --> 00:07:47.293
眼前的机遇就是：如果制造出的成果

00:07:47.293 --> 00:07:50.973
可以成为最终成品，

00:07:50.973 --> 00:07:54.073
又能以行业变革的速度进行，

00:07:54.073 --> 00:07:56.860
那就可以真正改变制造业的面貌。

00:07:56.860 --> 00:07:59.446
目前在制造业中，数字化制造领域

00:07:59.446 --> 00:08:02.678
正在应用的就是所谓的“数字线”。

00:08:02.678 --> 00:08:07.717
我们从CAD绘图、设计，到原型，再到制造。

00:08:07.717 --> 00:08:11.160
经常会发生数字线生产在
原型制造这一环节卡壳，

00:08:11.160 --> 00:08:12.872
因为无法直接生产制造，

00:08:12.872 --> 00:08:16.587
因为大部分部件不具备
成为最终产品的特性。

00:08:16.587 --> 00:08:18.978
现在我们可以把数字化线的
每个环节串联起来

00:08:18.978 --> 00:08:23.227
从设计、原型设计一直到制造，

00:08:23.227 --> 00:08:26.176
这一机遇真正打开了
制造各样物品的可能性，

00:08:26.176 --> 00:08:31.129
例如可以通过使用高强度重量比的
网格型材料，

00:08:31.129 --> 00:08:33.080
新的涡轮叶片，以及其他很多

00:08:33.080 --> 00:08:36.508
性能优越的零件来降低汽车的油耗。

00:08:37.467 --> 00:08:42.623
想想看，如果你在急救中需要一个支架，

00:08:42.623 --> 00:08:46.593
相比医生从架子上拿一个

00:08:46.593 --> 00:08:48.822
标准尺寸的支架而言，

00:08:48.822 --> 00:08:52.978
一个符合你自身结构，

00:08:52.978 --> 00:08:54.789
为你量身定做的支架，

00:08:54.789 --> 00:08:58.748
在紧急情况下可随时打印获得，

00:08:58.748 --> 00:09:02.397
而支架可以在18个月后消失：
革命性的改变。

00:09:02.397 --> 00:09:05.633
或者数字化牙科：
就在你躺在牙医椅子上时

00:09:05.633 --> 00:09:08.814
就可以做出这类结构。

00:09:08.814 --> 00:09:11.530
看看我的学生

00:09:11.530 --> 00:09:13.504
在北卡罗莱纳大学所完成的成果。

00:09:13.504 --> 00:09:16.313
这些是令人惊叹的微型结构。

00:09:16.313 --> 00:09:19.309
众所周知，现今世界的
纳米制造技术已经非常尖端了。

00:09:19.309 --> 00:09:23.599
摩尔定律已经让我们可以制作10微米
甚至更小的物体，

00:09:23.599 --> 00:09:25.201
我们这方面做得很好，

00:09:25.201 --> 00:09:29.241
但在10到1000微米的范围内
制造物体是非常困难的，

00:09:29.241 --> 00:09:31.261
在这个中等尺度范围。

00:09:31.261 --> 00:09:34.094
而硅产业的消减技术

00:09:34.094 --> 00:09:35.370
无法胜任此工作。

00:09:35.370 --> 00:09:37.159
他们不能理想地蚀刻芯片。

00:09:37.159 --> 00:09:39.109
但我们的制造过程相当精细，

00:09:39.109 --> 00:09:41.594
可以从底部向上制作物体，

00:09:41.594 --> 00:09:43.590
利用添加制造技术，

00:09:43.590 --> 00:09:45.683
在几十秒内达到惊人的效果，

00:09:45.683 --> 00:09:47.932
这将带来新的传感技术、

00:09:47.932 --> 00:09:50.417
新的药品传输技术、

00:09:50.417 --> 00:09:54.149
崭新的”芯片实验室“应用
等真正的革命性产物。

00:09:55.149 --> 00:09:59.983
因此这种让零件制造成为成品的

00:09:59.983 --> 00:10:02.816
实时制造技术，

00:10:02.816 --> 00:10:05.792
真正打开了3D制造业的大门，

00:10:05.792 --> 00:10:08.992
对我们来说，这非常令人振奋，

00:10:08.992 --> 00:10:15.589
因为这真正实现了硬件、
软件和分子科学之间的交互，

00:10:15.589 --> 00:10:19.755
我迫不及待地想看到
世界各地的设计师和工程师们

00:10:19.755 --> 00:10:22.029
会用这伟大的工具做出什么成果。

00:10:22.499 --> 00:10:24.618
感谢各位的聆听。

00:10:24.618 --> 00:10:29.727
（掌声）