麻省理工媒体实验室：摸摸3D打印的毛毛兔

发布时间：2016年6月30日

编者按：今天的人们相信，3D打印可以制造任何东西，从全尺寸的运动汽车到食物，甚至还有人类皮肤。但是有些东西仍旧顽固地拒绝被打印出来，其中就包括头发和皮毛。打印它们的门槛倒是不高，主要问题是设计这些物体需要消耗大量的计算时间和CPU资源。

如今，麻省理工媒体实验室的研究人员找到了一条3D打印毛发的捷径，能够快速有效地打印上千根毛发。使用传统的CAD软件的话，必须一条一条地绘制毛发，绘制完成后还要花费好几个小时来进行后台计算。媒体实验室的科学家开发了一种被称为“Cilllia”的软件来帮助用户快速定义几千根毛发的角度、厚度、密度和高度，整个计算时间只需要几分钟。

在该软件的帮助下，科学家们设计并打印出许多带毛发的平面和曲面物体，这些毛发的直径为50微米，与人类毛发的宽度相仿。他们在5月举行的美国计算机协会人机系统分会上发布了相关论文。

这项技术能用来打印假发吗？可以！但科学家希望最终打印出具有感知功能的毛发和魔术贴

                                                                                                        3D打印的魔术贴

研究团队打印了一对魔术贴，使用效果和我们平时用的粘扣一样。研究团队为了演示毛发的感知功能，还打印了一个小的毛绒兔玩具，它带有LED灯，当有人抚摸兔子皮毛时，就会发光。

能打印的还有更加神奇的玩意——他们打印了一大块平板，板上毛发的角度和高度经过设计。将一把各种重量的硬币丢在毛上，轻轻晃动平板，板上的毛能够自动把硬币按照重量分成几堆。在晃动频率不同时，最终得到的硬币堆排布也不同。

吉飞·欧（Jifei Ou）是这篇“毛线”文章的的第一作者，他表示，这个具有硬币分类功能的毛板，其灵感来自于人类肺内壁的纤毛，它可以通过运动把吸入的细小尘埃排出体外。

欧说：“在自然界中观察到这种纤毛和它们的各种功能非常有趣。我们刚刚意识到使用3D打印还可以创造出具有如此神奇功能的新材料。”

这次的成果与其说一次3D打印机的改进，倒不如说是一项软件工程上的挑战。

如今的3D打印机的分辨率（可以认为3D打印生成的是质点，分辨率就是2个质点之间的最小距离）已经足够高，但是人们并没有把这种分辨率充分发挥出来。

实验团队最初只是想寻找一种物体来挑战3D打印的分辨率极限，最后他们找到了毛发。而毛发带来的挑战不是在硬件方面，而是在软件方面。

若要用传统设计方法来打印毛发，那么设计师必须首先用CAD软件一根一根地画出所有毛发，然后再进行后台处理生成最终设计文件交由打印机执行。

欧表示，用传统方法设计一块邮票大小的，拥有6000根毛发的平板，需要耗费几个小时。如果把这些文件放入普通的3D打印控制软件中，系统可能就直接崩溃了。

为了高效设计毛发，研究人员决定抛弃传统CAD方法，并开发了一套新的设计软件，该软件首先建立单根毛发的模型，然后生成毛发阵列，最终交由打印机打印在平面和曲面上。

研究人员将毛发视为一个圆锥体，这个圆锥体分为许多层，越靠近毛发尖端的层包含的像素越少。改变毛发的高度、角度和宽度只需要简单地改变圆锥体的参数。

为了高效打印几千根毛发，欧和团队成员使用Photoshop软件打造了一套色彩映射工具。他们使用红绿蓝三种颜色来表征毛发的三种参数：高度、直径和角度。例如，为了在一个环形手柄上打印毛发，他们就画出红色的圆，并填充以颜色。红色的深浅表征了毛发的高度。色彩图设计完成后，他们用自己编写的软件把色彩图转换为毛发设计文件，并送入3D打印机执行。

使用这种技术，研究团队打造了魔术贴和各种规格的油漆刷。

                                                                      3D打印纤毛板在振动下把一块置于其上的金属逐渐导引向特定位置

在曲面上打印毛发就更加困难了。研究团队首先用CAD软件绘制了一个曲面物体，比如说小兔子。然后，他们把模型输入软件，生成兔子的三角网格模型。接下来，他们用自编软件确定每个三角面的几何中心，经过这个点画一条垂直于三角面的直线代表单根毛发。接着，他们采用之前提到的色彩图技术生成完整的，密度和长度都可定制的毛发。

欧表示：“使用我们的方法，设计会非常有效率。之前的CAD软件设计毛发表面的速度慢的惊人，因为你得花一天时间才能设计出兔子身上的全部绒毛，然后再花一天时间来生成最终的设计文件。”

3D打印毛发还可以用来制造交互玩具。欧的团队将LED灯和一个小麦克风植入了打印毛毛兔的身体，麦克风用来探测毛发的轻微运动。当你顺着毛抚摸兔子时，LED变绿；当你逆着毛抚摸时，LED变红。

论文的最后提到：“定制毛发的技术不仅扩展了3D打印的能力，而且能够使我们设计出类似毛毛兔的感知纤毛和能对硬币分类的功能性纤毛。3D打印毛发技术的潜力非常巨大。”

设计咨询公司IDEO的设计师凯利·谢芙尔（Kelly Schaefer）表示：“媒体实验室的研究团队创造的这些新3D打印毛发产品的确令人惊叹，但是更令人敬佩的是，他们重新思考了3D打印的技术流程，并重新定义了3D打印技术。该团队破解了一些长期限制3D打印的技术难题。我不得不重新反思，还有哪些事情被认为是3D打印做不到的？我们怎么才能让3D打印做到原来做不到的事情？”

                                         本文从Deep tech转载