未來事物概觀：添加制造前沿技術
霍德·李普森
康奈爾大學
過去三十年間，添加制造技術——也就是能夠用幾乎任何材料來逐個像素、逐層地自動制作任意造型零件的機器——已經從少數人手中有限而昂貴的原型制作設備發展為小規模商業生產工具，幾乎任何人都可以獲取。人們已經廣泛承認，這場方興未艾的第二次產業革命將會改變我們生活的每一個方面。顯然，我們將看到任何新興技術都會經歷的那種通常的改進：材料選擇更多，分辨率更高，印制更加迅速，操作更簡便而可靠，而且成本更低。但這種技術接下來將走向何處？
三維印刷只是對規模遠更宏大的潮流的一點提示。我們可以將添加制造技術過去、現在和未來的發展看作是人類對有形物體提高控制能力的一連串里程碑。
印刷格式：物體形狀編程
添加制造技術的行程如今已趨穩健，它的第一段經歷是對實現對物件形狀前所未有的控制。今天的機器幾乎能制造任何材料的物件——從尼龍到玻璃、從巧克力到鈦金，而且可以是任何復雜的幾何形狀。這種能力改變了許多領域，其程度是其它發明成果很少能夠達到的——不僅是工程設計，而還包括從生物到考古、從教育到廚藝的各個行業。
免費添加復雜性
或許三維印刷最巨大的影響就是來自于它不管物件如何復雜都可以制造的能力。制作一塊實心方磚的成本幾乎與制作形狀古怪、表面彎曲還有槽口的物件一樣。無論是制作哪種物件，印刷機都要來回掃描，每次沉積一層，不同的只是材料沉積的圖案罷了。正如印制一張畫著一只圓圈的圖片所花時間并不會比印制一張世界地圖更長，印制一只捕鼠器所需要的時間、資源或技巧也不會比印制一只鎮紙更多。無論你如何衡量成本——按生產時間、材料重量、能源消耗還是按生產計劃勞動量，增添更多的特性基本上都不會改變成本。有時候增加復雜性反而會減少成本——印制一塊有孔的方磚就比印制一塊無孔實心方磚更便宜、更快捷。因而增添復雜性的邊際成本接近于零，這就與常規制造法截然不同，在使用常規制造法時，每一種新增特性——每增加一個孔眼、表面、凸出部分和角部——都需要增加計劃工作的勞動量，要花更長的生產時間、消耗更多的能源，而且還可能消耗更多的原材料。
我們為什么要在意復雜性的邊際成本？降低制造復雜產品的成本是件好事，這一點很容易明白，但原因其實卻更深刻。當生產相關的成本大幅下降，最終將成本因素排除出局，這時就會引發產業革命。20世紀的產業革命發生之際，便是動力成本急劇下降之時，因為蒸汽機取代了馬力和水輪機。結果不僅是這些動力源被取而代之，而且機械所能執行的工作范圍和種類也得到極大的拓展，引起了層出不窮的創新，比如鐵路和工廠自動化。與此類似，互聯網也減少了傳播信息的成本，結果也擴大了能夠傳播的媒體的范圍與種類——不僅是在線報紙，而且還有維基百科、博客和用戶生成內容。我們可以說三維印刷大幅降低了制作復雜物件的成本。一開始這只是意味著這種技術將會逐漸取代我們曾經采用的那種成本更高的方式。但從長期而言，制造物件的范圍與種類卻會極大地擴展。
制造業個人化
然而與廣大的新型設計可能性聯翩而至的，卻是制造業的個人化。在我們未來設計和消費產品的方式方面，在由誰來設計、在哪里制造這些產品方面，這種趨勢都有著深刻的經濟影響（Lipson與Kurman，2010年）。最重要的是，任何人都有能力設計和制造復雜產品，而不會遭遇傳統制造業在資源和技能方面的障礙，這就會使創新民主化，并釋放出人類創造力的長尾效應。此刻去網上瀏覽一下，你會看到數千種供售的物件隨時可以按需印制出來，從定制形狀的助聽器，到撲翼－懸停的微型飛行器，再到足可亂真的古楔形文字復制品（圖1）。
圖1 從巧克力到鈦金，從生物到考古，再從機器人到航空電子，三維印刷都是將會影響每一個行業、每一門學科的通用技術。資料來源：圖1a、1c、1d、1e和1f由康奈爾大學提供和http://creativemachines.cornell.edu提供。圖1b由WTWHMedia提供。
印刷成份：塑造材料的內部結構
我們如今正開始體驗這一行程的第二段經歷，這就是對物件成份的控制——超越對外部幾何形狀的塑造，進入對材料內部的內部結構塑造，而且達到前所未有的保真度。憑借多材料添加制造技術，我們能夠在材料內部制作材料，將多種材料鑲嵌和編制成復雜的圖案，并且同時制造交纏的零部件。例如我們可以用軟、硬材料印制能夠創造出有著稀奇新穎的結構性行為的圖案，比如說在受到縱向推拉時就會側向延展的材料。我們正在打破常規制造法那種每個零件只能用單獨一種材料制成的局限性，而能夠以微米尺度的精度來規定微結構。由于這樣的可能性，我們就能夠印制出能夠智能增強你獨有反手擊球能力的定制網球拍，或是專門為你疼痛的背部定制置換脊椎盤植入物。但盡管可能性不可勝計，但甚少理論能夠預測這些新材料的屬性，也甚少設計師能夠運用新的設計空間，因此，要擴大人類的創造力，尚需新的設計工具。
從生物印刷到食品印刷
這種對物件形狀與成份的控制基本上將影響到所有學科，無一例外。對于涉及到有形物件設計與制造的任何領域（從機械工程到藝術與建筑），都很容易想像得到這樣的影響。但添加制造技術還可能改變與工程或制造并無直接聯系的領域，比方說三維印刷領域的興起對醫療應用的改變。
定制形狀的假體。三維印刷在健康相關方面最熱門的應用便是制作定制形狀的復雜假肢和假體裝置。許多假體裝置面臨的關鍵挑戰便是與身體的連接點。例如讓假肢連接腔匹配患者骨頭突起或肌肉組織的能力在功能和舒適度方面都可以極大提高。在需要考慮假體美觀性的許多情況下，定制外部形狀、使其與周圍相融合或是匹配對稱特性的能力也是一項重要的因素。添加制造有能力進一步塑造內部腔型，增添加勁肋，并從非承重零部件上去除材料，這就還能幫助改進裝置的重量與強度之比，使其更堅固、更輕巧。面對更多精密的多材料制造，人們可以想像，這類裝置的機械性能還能更進一步地定制，從而改進它們的彈性、抗震性和能源性能。造型假肢的第二個例子是助聽器。助聽器舒適度與有效性的重要行速是它們是否與耳道匹配。三維印刷可以對患者的耳道進行光學掃描，并幾乎瞬時定制柔軟的假體。
定制植入物。對于髖關節置換植入物而言，一律普適并非好事。用三維印刷來制作定制形狀植入物是從自由形狀制造最初便開始的。定制形狀鈦金或鉑金植入物可以準確地按合適的尺寸與形狀來制成，要么從參數上規定尺寸來匹配患者，甚或直接從需要置換的原骨頭、或對稱的健康骨頭的電腦斷層成像（CT）掃描幾何圖形中制成。由于增加復雜性是不花錢的，印制植入物就能可以超越普通骨頭形狀而包含各種腔型和連接點，這樣就能提高與既有組織接合的相容性、可靠性和有效性。
生物印刷。生物印刷不使用鈦和其它工程設計材料，而是直接從生物材料中直接制成植入物（以及其它結構）。早期對三維印刷的嘗試是印制具有生物相容性的支架，隨后注入活細胞并培養，之后才進行植入。活細胞逐漸取代支架，形成定制形狀活性組織植入物。雖說印制支架的使用仍然流行，但如今已經有了直接以生物細胞印制、而根本不需支架的更大進步。這種情況是首先將細胞浸入生物相容的水凝膠油墨（一種生物油墨）中，然后印刷到它們的目標形狀上。生物油墨有兩種關鍵的、讓它難于開發的矛盾屬性：一方面它需要有足夠的流動性才能印刷——既要能從噴頭流出，同時由不能使那些在它們從打印頭中噴出時承受嚴重剪力的細胞受到損傷；另一方面它又要有足夠的硬度，這樣在印刷之后才能保持形狀，否則這些材料就會滲得一團糟。由于采用了多種化學品和光學交聯制劑來解決這一挑戰，我們能夠直接從CT數據中制成半月板狀的軟骨植入物。但是與支架注入技術不同，直接以活細胞印制的能力為制造異形組織植入物打開了大門。想像制造像脊椎盤或心瓣膜那樣復雜的東西吧，這要涉及到將多種類型的細胞進行復雜的空間布置，而這種安排對于它們的正常功能是至關重要的（Cohen等人，2006年）。
藥品篩選模型。以三維尺度制造復雜的多細胞異形組織布置的能力在植入物以外也帶來了許多啟示。這類機遇之一便是制作藥品篩選的模型。藥品和其它治療品歷來首先要在類似簡單的皮氏培養皿的環境中測試，這些培養皿努力復制藥物或治療品預計實際使用的目標環境。從細胞種類的范圍以及它們的空間分布來說，皮氏培養皿或試管相比于實際環境而言比較簡單。由于有這樣的不相配，往往就需要使用動物模型和其它更精密的高通量測試程序。但三維生物印刷卻打開了一扇大門，使我們能夠制造更近似于藥品目標應用的、空間異形的組織模型。例如我們可以想像，我們可以直接制造有著腫瘤的形狀與分布情況的癌細胞，然后直接在體外測試它的治療品的有效性。這樣的實驗能夠更真實地預測藥效，并縮短藥品開發的周期。
手術方案。三維印刷另一種沒這么突出、但卻同等重要的應用是為手術做好準備。非常規、復雜的外科手術往往要在纏結的未知環境中操縱組織和工具。有些手術還需要在患者體內準備并連接永久性或臨時性的板子和其它裝置。正如第二次拼圖會更容易一樣，如果外科醫生有機會提前演練，就能大幅減少手術的時間并提高可靠性，在第一次施行復雜的非常規手術時尤其如此。例如在獸醫學院，受傷的狗來做急診手術時，我們往往需要從CT掃描圖形中以三維印刷的方式來制作一組粉碎的或變形的骨頭。外科醫生收到印制的骨頭，然后演練手術——學會查找碎片、優化重建過程，并提前準備一切必要的板子和夾具。從非官方資料看，這能使外科醫生少一半的手術時間，何況還能提高醫護的質量。
手術培訓。接收培訓的外科醫生往往能夠接觸到尖端手術設備和工具，但他們卻很少有機會能夠在真實病例中用它們來練習。例如受訓外科醫生就不大可能有機會練習切除腦瘤，因為不大可能找到有這種腦瘤的動物模型或人尸，也不大可能碰巧會有這樣的合成培訓模型出售。但憑借三維印刷，我們就能記錄真實患者相關的典型病例，然后應需復制出來以供練習。有了一些模型后，甚至可能按需組合病例并調整病況的嚴重性，從而讓受訓外科醫生接受最佳學習體驗水平的挑戰。由于有了多材料生物印刷，我們可以用生物材料來制作培訓模型，從而實現更加真實的培訓體驗，為學員提供真實濕重組織的感覺和響應。
定制藥物治療。在復合控制至為關鍵的領域中，三維印刷應用的典型例子是應需生產醫療用藥。同時服用多種藥物對醫生和病人而言都日益形成挑戰。如今再不用每天記住服用十來種藥品了，印刷機能夠為每一名患者制作單獨一枚定制藥丸，其中包含了患者當日所需藥物的準確劑量、成份和配伍。這枚藥丸可以帶有特殊標記，以消除常規給藥方法引起的混淆和不確定性。
食品印刷。食品印刷之于三維印刷，正如視頻游戲之于計算機，或許會成為黑馬殺手應用。食品印刷建立在與生物印刷一樣的技術基礎上，以食用油墨來制成食品。“食用油墨”一詞在這里頗有點言不盡意：我們所談及的是巧克力和花生黃油、曲奇餅和糖霜呢。而且不一定會很糟糕：你甚至可以用有機香蒜來印刷，并就地制成山羊酪。下載食譜，將冰凍食品墨盒裝滿，然后點擊打印。食譜會指示將那種原料放到哪里，以及在沉積期間及之后要應用哪種銜接烹飪程序。我們已經用上述以及更多的材料來印刷過了，制成了糖霜點綴的巧克力蜜餞，以及巧克力夾心上印有縱排文字的香草子曲奇。想像這么一臺打印機，它的滑鍵可以任意調節脆度、滋味、顏色和紋理。要不要來份棋盤格千層面嘛？這里的局限只是你的想象力。有些人會覺得印刷食品的想法只是加工食品的一種濃縮，但另一些人卻覺得這整個想法有著巨大的創新空間、令人入迷。下載共享食譜，按照自己的喜好來定制變化版本，然后享用專門給自己現做的美味。
印刷功能：活性材料行為編程
這一行程中第三、也是最后一段經歷是控制行為，我們才剛剛開始看到這段經歷的先兆。本節中我們已經講述過了僅僅控制物件的形狀和僅僅控制它的成份，如今我們將能夠任意地依照功能來對這些材料編程——讓它們去感知和反應、去計算和表現。最后這一步會模糊材料與代碼之間的界限（Gershenfeld，2005年），產生實質上的可編程物體——從控制物體機械功能前進到控制它處理信息和能量的方式。當這一天來臨，你基本上可以打印任何東西，從手機到從打印機中走出來的機器人——而且還配有電池。但彼機器人看起來可能完全不象今日的機器人，因為它不會有常規制造法產生的局限性，而且也不會是由人類直接設計的。制造這類任意的、同時包含主動和被動結構的活性系統，這樣的能力將敞開一扇大門，它通向設計的新空間和工程的新模式，與生物學并無二致。
新的CAD
過去四十年間，計算機輔助設計（CAD）工具在產品設計過程中發揮了至關重要的作用，但從作用和形式上而言，CAD工具相對來說在很大程度上仍然沒有改變。用戶界面改善了，幾何操縱更加快捷、也更加可靠，圖形已經是三維、如照片般真實的了。但從概念上講，CAD軟件如今仍然僅僅是被動三維畫圖板，它記錄我們的意圖，但卻很少提供它自己的見解或主意。
隨著三維印刷技術日益豐富，制造業歷來在資源和技能方面的障礙差不多消亡殆盡。如今的局限僅在于我們的想象力，而遺憾的是，我們的想象力也確實有限。我反復地看到過新入校的學生面對CAD的空白頁，卻只能用三維印刷機無窮的能力來設計出方方正正的物體，上面加一點直線槽口。在很大程度上，這是一種文化蒙蔽，它源自多年對屈從于傳統制造法制約性的批量生產物體的耳濡目染。但在另一方面，這也是由于常規CAD工具形成的設計思維，以及缺少能夠發揮三維印刷能力所提供的巨大設計空間的新型設計工具。
很明顯，盡管在可預見的未來中，典型的CAD模式仍將占據主導地位，但設計工具的新模式已經嶄露頭角（圖2）。
功能表示
隨著我們控制材料形狀、成份及表現的能力提高，將幾何形狀和材料規格看作是編程而不是繪圖，這樣會更恰當。例如你想要制作一個螺旋形表面，帶有一些呈半規則分布的橢圓孔。用傳統的制造技術來制作這樣的東西將是復雜而昂貴的苦事，因此，即便在先進的CAD選項菜單中能找到這樣的能力，它們也會是深深隱藏的。這件工作需要多個步驟，而且簡直要讓CAD軟件崩潰。但在解除了傳統制造法的制約后，越來越多的設計師想要簡便、快速地探究的便正是這樣的幾何圖形。為什么不呢？實際上癲狂的形狀多過規則的形狀，只不過當前難于去探究它們。用程式化構造程序來描繪這種帶孔螺旋形狀或許比目標幾何更容易（Pasko等人，2011年）——換言之，也就是用計算幾何、而不是畫法幾何，這很像生物學用發育過程來描繪表型，或是像軟件工程師描述動態網頁的外觀。
圖2 新的CAD。它超越幾何建模，采用交互進化、通過程式化構造算法來描述產品，或是通過自動匯編高級要求和制約條件來描述。資料來源：圖2a由康奈爾大學和http://endlessforms.com提供。圖2b：帕斯科（Pasko）等人2011年的著述，由TurlifVilbrandt提供。圖2c由JonHiller設計，由康奈爾大學和http://creativemachines.cornell.edu提供翻印版。
物體編譯器
設計的另一種方式是指定設計需要達成什么，而不是它應當看起來是什么樣子，然后便交由機器來按照你的規范進行編譯。某些產品會很適合這種設計流程，尤其是純功能性產品。例如，我們可以想一下設計支承托架的任務。我們知道載荷及支承接觸點的幾何限制、需要承載的重量以及材料屬性。指明這些要求，按下設計按鈕，然后坐觀最佳設計如何自動出現。最佳設計不會是帶有方形槽口和孔眼的磚塊，屏幕上出現的會是有機形狀的優化結構，帶有形狀漂亮的空腔——人類的設計師用手工要花上多年時間才能設計出這樣的結構。現在又假定這托架無法安裝，因為一條管子伸進了托架的位置。這不成問題——添加管子凸出的制約條件然后重新編譯。通過指明目標行為和制約條件來編程，然后將它編譯成功能幾何圖形，這樣就能解決復雜的要求，而且能夠在多材料三維印刷可供使用后最佳地運用它所提供的新型制造能力。從某個方面而言，設計師便成了用戶，而CAD軟件則便成了設計師。
交互進化
如果需要的物件不能定量描述，結果會怎樣？在設計有著讓量化無能為力的美學成份的物件時就常常會出現這種情況。想像你需要設計一只香水瓶。這件設計的某些方面是可以定量規定的，比如所需的容量與尺寸，但其它方面卻更難描述，比如外觀和觸感。此外，那些嫻于估量香水瓶的人或許無意涉足CAD語言。但新型CAD軟件卻能展示眾多原創設計概念，并使專家能夠指示出他們喜歡哪一種，或者換個更委婉的說法：他們最不反感的哪一種。在取得這樣的信息后，機器就能開始自動推斷出設計師所想到的一種美感，并能生成一組新的解決方案，它們仍會遵守定量要求——比方說瓶子的容量和尺寸，但它們會更加貼近設計師的審美偏好。通過按照某種序列的解決方案和選擇來重復這一過程，CAD技巧相對并不嫻熟的設計師或許就能夠設計出復雜的香水瓶。重要的是設計師實際上可能產生新的想法，而且可能忍不住進入設計空間中前無古人的新天地。EndlessForms網站的訪問者（Clune和Lipson，2011年）已經用這種程序來協作設計了從家具到面孔、從瓶子到蝴蝶的物體。
FabApps
如果我今天想要設計一只牙刷來讓我的三維打印機印出來呢？要說我能設計出良好的、符合人工學的安全牙刷，這不大可能。盡管牙刷似乎是件簡單的產品，但要成功設計一只牙刷也需要多年的經驗和實際知識。然而隨著三維印刷機的問世，很可能人們就會想要這么干——設計自己的產品，哪怕幾乎毫無經驗、而且也不大耐煩去學。解決方案或許是采用簡單的、專用于小范圍產品的CAD應用程序，其中包含所有相關知識，但卻向用戶提供程度合適的靈活性。這種FabApps（丹尼爾·柯亨（DanielCohen）和杰弗里·李普頓（JeffreyLipton）發明的詞）類似于花99美分就可以下載的iPhone應用程序，它們專用于設計一件特定產品。與通用型CAD不同，FabApps采用廣泛的內置實際技能來引導用戶設計一件物品，并確保產生的產品能夠成功。一套牙刷應用程序會詢問你的手和口部的尺寸，處理你面部和手掌的圖片，引導你瀏覽五十種不同選項，再詢問二十項問題，然后生產出獨一適合你需求、而且保證成功的完美牙刷。
結論
三維印刷只是對人類提高有形物體控制能力的一連串里程碑的提示。如果說人類因能制造工具而不同于自己的進化祖先，那么添加制造便代表著終極工具——或許以我們無法預想的方式來永遠改變人類文化。
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