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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，在對磚塊進行特殊的處理之后，通過高頻振動，這些磚塊居然能夠變身為大型的3D對象。這一研究結(jié)果長期而言可能會對諸如產(chǎn)品制造、建筑等領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響。

這項研究是由以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、最令人費解的一個現(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，甚至社會等。所有這些系統(tǒng)都是由獨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)常在實驗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巨大的3D圓筒里，通過一個可以高頻振蕩的定軌搖床來操縱這些磚塊在圓筒里面進行自組裝，搖動速度控制在每分鐘400轉(zhuǎn)之內(nèi)。

“我們會通過設(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)家們在這個項目中使用的技術(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，即使DNA折紙術(shù)并不依賴于自組裝算法。比如，盡管整個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，磚塊的組裝效率低下，常常是根本不會發(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，本身不會參與組裝的普通磚塊。它們會通過碰撞和固定不正確的組件來幫助組裝的完成。這個概念可以作為一般原則在未來的系統(tǒng)中擴展應(yīng)用。”

研究人員把每個實驗重復(fù)了十次。當(dāng)只有兩塊磚進行自組裝的時候總共只花了不到1分鐘，而當(dāng)這個數(shù)字增加到18塊磚的時候，完成自組裝總共花了兩個多小時。研究人記錄下音頻和視頻，然后將數(shù)據(jù)存儲并用MATLAB進行評估分析。

“通過改進系統(tǒng)，我們有可能在宏觀尺度上實現(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。