用筆繪圖是一種簡單、廉價、直觀的2D製作方法。在此，為了發揮用筆繪圖在3D物體制造中的優勢，來自韓國國立首爾大學的Sunghoon Kwon&蔚山國家科學技術研究所的Jiyun Kim等研究者，

開發了一種可以直接將筆畫的2D前體轉換成三維的3D製造技術

。相關論文以題為“Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings”發表在Science Advances上。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

論文連結：

https：//advances。sciencemag。org/content/7/13/eabf3804

將2D平面結構轉化為3D結構，已成為一種可將基於2D技術的優勢融入到3D物件的製造中的策略。2D製造簡單、適合大規模生產，但其輸出僅限於平面結構。相比之下，3D製造可以創造出具有多種結構的有形現實物體，但設計和製造過程相對緩慢和複雜。因此，

2D-3D轉換技術，可以透過從容易製備的2D初始前體構建複雜的3D結構來提高3D製造的效率和簡單性

。2D到3D轉換技術，如摺紙、屈曲、形狀記憶複合材料和4D列印，是透過摺疊、彎曲和組裝2D平面薄片到設計的3D結構來實現的。然而由於需要可變形的智慧材料、功能基板或額外的儀器，如3D印表機，可以打印出實現其轉化機制所需的多層結構，但這些技術的可獲得性可能是不夠的。

在2D空間中，筆是最具創意、最方便、最常見的表達思想的工具。

筆畫的優勢在於，它的高可訪問性、高便攜性、自由式可用性和現場可製造性。這些特性使得畫筆，在微流體、柔性電子、可穿戴裝置和顯示領域可進行現場自由製作。此外，基於筆的方法可以與現有的2D列印系統（如筆繪圖機）相結合，以實現高水平的精度和大規模生產。儘管有這樣的優勢，但直到筆式3D印表機開發出來之前，筆通常被視為只能在2D表面上使用的繪圖工具。筆式3D印表機，提供了一種將筆作為直接3D製作工具的策略，但在空白空間中控制筆並不像在2D平面上使用筆那樣快捷和方便。因此，研究者的目標是透過開發2D-to-3D轉換技術，將2D筆畫在2D表面上轉換成有形的3D物體，將2D筆畫的優點融入到更快速、更直觀的3D製作過程中。雖然以前已經開發了各種形狀變形技術，但沒有一種是用筆實現的，這可以是卓越的快速原型方法，結合了自由式可用性和高吞吐量的優勢。

在此，研究者

開發了一種“基於畫筆的4D列印”，

可以透過簡單地將2D筆圖直接製造3D架構（圖1，A和B）。該方法基於一種形狀變形機制，該機制依賴於表面張力驅動的乾燥油墨膜的選擇性剝離和漂浮，稱為表面張力輔助轉化（STAT）（圖1C）。一種含有聚乙烯醇縮丁醛（PVB）樹脂的乾式擦除標記油墨，在乾燥後形成疏水性薄膜。當PVB膜浸入水溶液中，溶液在毛細管力的作用下，滲透到膜-底介面，使PVB膜與基材分離。然後，分離的PVB膜，由於表面張力漂浮在溶液表面（圖1C）。

當繪圖浸入水溶液時，由表面張力驅動的毛細管剝離和乾燥油墨膜的浮起，有助於筆畫的2D-3D轉換。選擇控制2D前驅體的浮動和錨定部件，可以將2D圖紙轉換為設計的3D結構。轉換後的3D幾何形狀，可以透過表面引發聚合的結構加固來固定。透過將簡單的筆畫2D結構轉換為複雜的3D結構，該方法快速且適合大批次生產。

圖1 基於筆的4D列印可以將2D鋼筆圖紙簡單轉換為3D結構。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

圖2 根據水位高度的不同，2D筆畫可以轉換成複雜的3D結構。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

圖3 透過SCIRP對轉換後的3D形狀進行結構強化。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

圖4 基於筆的4D列印可以實現“3D列印任何地方”和R2R 3D製作。更多精彩影片請抖音搜尋：材料科學網。

綜上所述，研究者開發了STAT，作為一種基於真實2D-3D轉換的新型形狀變形機制，拓寬了4D列印機制的種類。研究者的基於筆的4D列印，只需要一支記號筆，比3D印表機更簡單和更快。儘管基於筆的4D列印，僅限於兩個錨定表面的幾何形狀，但它採用筆作為3D製作介面，允許自由式3D製作，而不侷限於特定的基材。以上優勢導致了現有技術的潛力，可訪問和快速製造應用於各個領域，包括電氣應用，軟機器人和生物應用等。這項研究能夠有望進一步發展，基於2D技術的簡單而高效的3D製作技術，並進一步擴充套件4D列印的價值。（文：水生）

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