作為一種基本的建筑材料，磚塊已經(jīng)被人類使用了幾千年。而最近一群以色列的科學(xué)家就拿它做起了文章，在對磚塊進(jìn)行特殊的處理之后，通過高頻振動(dòng)，這些磚塊居然能夠變身為大型的3D對象。這一研究結(jié)果長期而言可能會(huì)對諸如產(chǎn)品制造、建筑等領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響。
這項(xiàng)研究是由以Ido Bachelet博士為首的來自以色列Bar-Ilan大學(xué)納米技術(shù)和先進(jìn)材料研究所的一群研究人員完成的，他們開發(fā)出一種系統(tǒng)，通過事先編程，可以實(shí)現(xiàn)材料的自組裝，并為此在《自然》雜志上發(fā)表了一篇名為《網(wǎng)格化復(fù)雜的宏觀物體使其可以用磚自組裝（Meshing complex macro-scale objects into self-assembling bricks）》。
所謂自組裝（self-assembly），是指基本結(jié)構(gòu)單元（分子、納米材料、微米或更大尺度的物質(zhì)）自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)。“自組裝和自組織是自然界最奇特的、最令人費(fèi)解的一個(gè)現(xiàn)象。”研究人員在他們的論文開頭如是說，“它們無所不在：蛋白質(zhì)、病毒、活細(xì)胞、多細(xì)胞生物、種群，甚至社會(huì)等。所有這些系統(tǒng)都是由獨(dú)立的部分通過相互作用組成的，它們通過某種特定的方式相互吸引，最終形成一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)或者圖案。”
據(jù)了解，研究人員們的思路主要是受到了DNA折紙術(shù)的啟發(fā)，這是一種經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室里被用來制造各種納米級結(jié)構(gòu)的技術(shù)。但是他們使用了新的算法，使其可以在宏觀尺度上，比如像磚塊這樣的對象，可以實(shí)現(xiàn)自組裝。
在研究過程中，科學(xué)家們使用Object Eden 250 3D打印機(jī)以VeroWhite或DurusWhite作為原材料，打印了一批特定形狀的磚塊。然后他們把釹鐵圓盤磁體粘到這些3D打印磚塊上。通過匹配設(shè)置，這些磚頭的表面可以互相吻合。隨后，科學(xué)家們將十八塊四面體形狀的磚塊放在一個(gè)巨大的3D圓筒里，通過一個(gè)可以高頻振蕩的定軌搖床來操縱這些磚塊在圓筒里面進(jìn)行自組裝，搖動(dòng)速度控制在每分鐘400轉(zhuǎn)之內(nèi)。
“我們會(huì)通過設(shè)定這些磚塊表面磁體的位置為其指定自組裝的規(guī)則。”研究人員在論文中說，“這些磚塊可以在容器中混合和攪拌，產(chǎn)生正確的組裝對象”。
盡管科學(xué)家們在這個(gè)項(xiàng)目中使用的技術(shù)與DNA折紙術(shù)看上去有很大的不同，但是人們還是從中發(fā)現(xiàn)了很多驚人的相識(shí)，即使DNA折紙術(shù)并不依賴于自組裝算法。比如，盡管整個(gè)自組裝需要的過程很長，但是他們發(fā)現(xiàn)完成自組裝的動(dòng)作只需幾秒鐘；另外這些磚塊的自組裝成功率與其在單位面積里的數(shù)量（也就是濃度）有很大的關(guān)系，這跟DNA折紙術(shù)一樣。
“當(dāng)面積太大時(shí)，磚塊的組裝效率低下，常常是根本不會(huì)發(fā)生（自組裝行為）。”研究人員稱，“這可以通過引入“溶劑”磚頭來解決，所謂的“溶劑”磚頭，也就是上面沒有磁鐵，本身不會(huì)參與組裝的普通磚塊。它們會(huì)通過碰撞和固定不正確的組件來幫助組裝的完成。這個(gè)概念可以作為一般原則在未來的系統(tǒng)中擴(kuò)展應(yīng)用。”
研究人員把每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)了十次。當(dāng)只有兩塊磚進(jìn)行自組裝的時(shí)候總共只花了不到1分鐘，而當(dāng)這個(gè)數(shù)字增加到18塊磚的時(shí)候，完成自組裝總共花了兩個(gè)多小時(shí)。研究人記錄下音頻和視頻，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并用MATLAB進(jìn)行評估分析。
“通過改進(jìn)系統(tǒng)，我們有可能在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)自組裝，可以快速、按需制作對象，而不再需要組裝線。”研究人員稱。
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