3D 打印：物体中的物理学 | 艾米莉 · 艾丁 | TEDxBeaconStreet

3D 打印机在是制造业与设计上的革新，它让我们可以创造复杂及精确的物体。艾米莉 · 艾丁（Emily Whiting）是在 Dartmouth 的计算机科学教授，她向观众解释她如何用科研来创造数字创造领域和现实动态之间的桥梁。

前几年我去中国时，遇到了这个玩具。

它是一个竹子做的蜻蜓，

而且它有一个秘密。

当你把这个放在它的鼻尖上的时候，
它会做出这个惊人的平衡动作，

就像一个浮板一样。

这个玩意的奇妙之处

不仅仅是在于有趣，
而是在于它的功能，

当我们精确地让它平衡后，
它似乎在我手中活了起来。

我是一名电脑科学家，

我大部分的时间都在电脑屏前

思考那些只存在虚拟世界中的
想法和物体。

恰好在我找到这个玩意儿的时候，
我正在研究 3D 打印机。

3D 打印机让我很惊喜，
因为它给了我一个

把物体从虚拟世界中
拿到现实世界的机会。

因此，我终于可以将数字物体，
通过 3D 打印握在手中。

之前我问的问题是，

我是不是也能创造出
像这个小蜻蜓一样的

有着小秘密的物体呢？

在座的你们应该大多数
都对 3D 打印机很熟悉。

它是一种附加式的生产技术，

无论你的技术水平如何，
都能创造出完美且复杂的 3D 物体。

如今，它对设计业和生产业
有着重大的影响。

我们见证了雕塑、
时尚设计、假肢等复杂设计，

就算你没有任何美术或者设计的背景，

网络上也有提供许多样本。

你可以只要去在线数据库里
选择一个形状，然后打印。

因此，3D 打印技术将制造业大众化。

但我仍坚信在这些
复杂的外表下有很大可能，

3D 打印机有未开发的潜力。

让我为你们展示我打印的第一个模型。

这是从网上下载的一匹马的照片，

它用 3D 捕捉到在平面照片中的

这个经典的动作。

当我试着用 3D 打印它的时候，

你可以想象发生了什么。

这就凸显了一个问题。

在数码世界中，
也就是这匹马最开始存在的地方，

我们不知道它会怎么活动，
或者它有多重，

又或者它会不会站稳。

但是它如果看上去栩栩如生，
可能其他的都无所谓

在现实世界中，没有作弊的可能，

我们必须要符合物理要求。

我觉得这些物理要求不是一种局限，

而是一种强大的工具
使我们可以利用物理来创造

有趣、美丽的物体。

所以，我把这匹马当作了一个挑战。

与来自 ETH Zürich
和 INRIA 的研究者们一起

我们使用制造能力来使这匹马站起来。

但是是什么让一个物体保持平稳呢？

这里是一个在做瑜伽的犰狳人的雕像，

但是他的大树姿势做的不怎么准确。

在现实世界中，他会摔倒。

我们可以通过观察重心来确定这一点。

重心是一个单一的三维点，

代表了他整个身体的重量和位置。

如果这个三维点移到他的

身体之外，他就会摔倒。

为了通过这个平衡测试
我们研发了一个算法，

从改变这些物体的设计。

我们有两步来改变设计，

首先，从这个形状内部去除材料。

当我们把黄色这部分挖空后，
我们就把它的平衡点移到了左边。

这个时候我们几乎完成了目标动作，
但他还不是特别稳定。

所以，第二步就是改变他的身体，
把他的姿势推到左边。

这两个步骤一起，
就可以稳定他的站姿了。

当我们打印修改后的模型，
他的大树姿势就站立不倒了。

（掌声）

因此，将去除材料和重塑的过程结合，

可以创造很多不同的造型。

比如说，一个泰迪小熊。

他可以做两个霹雳舞动作。

（笑声）

我用了一种透明材料
打印出了这个模型，

这样你们就能看到最终结果的复杂性，

也就是它精准的内部结构和形状。

这体现了 3D 打印的重要性，

要做出如此复杂的内部构造，

基本上是传统工具不可能实现的。

所以 3D 打印技术提供了
我们需要的精确度

来让这个霸王龙靠它的小脚站立，

并让这匹马不可思议地靠后腿站立。

静态平衡是一个很好的例子
来展示如何运用物理学

去创造一个令人着迷的物体。

当然，不仅仅如此，
我们还可以看看动态，比如说，

我们可以用相似的计算工具
来设计动态动作。

这个例子是我们从小时候
就很熟悉的东西——

陀螺。

陀螺只有在转起来的时候能达到平衡。

令人惊奇的是，陀螺是人类文明中

最古老的玩具之一。

这个手工艺品是从考古中挖掘出来的，

它来自于公元 480 年前的古希腊。

我们看见两个人在地上打陀螺，
它的旋转惊呆了他们。

这些玩具的设计

从古希腊到现在几千年来都没有改变。

如今的陀螺和我们
在这幅画上看见的一模一样。

而原因就在于科技上的局限。

因此，制作一个陀螺的挑战在哪儿呢？

这是一个茶壶，
它符合旋转的对称性。

但是简单地在它的底部加一个钉子，
给它一个旋转点

不能完成旋转。

它须要符合精准的物理规则。

第一，是平衡。

它的重心必须和这个旋转点重合。

第二，我们需要考虑惯性。

每一个物体都有一组

可以旋转的方向。

这些方向取决于物体的对称性，

以及物质的布局。

陀螺旋转的关键在于

它需要与它的框架对齐。

所以理论上，

创造一个圆形旋转物体可能很直观，

但是要创造不对称的旋转物体，

这个问题就变得很复杂。

所以，我与 ETH Zürich 以及迪士尼研究的

算法目的是为了重新设计这些物体

来让它们旋转。

与我们之前看到的相同，

我们需要研究它们的内部构造。

我们将内部分成小块，

来考核每一个是否应该
是实心，还是空心。

最后结果是一个固体，它的重心

与它的旋转轴精确重合。

通过 3D 打印，这个心可以箭头上旋转。

（掌声）

之前摔倒的茶壶，

现在有了这个新的旋转天赋。

它的外表没有变化，

但是精确的改变它的内部结构，

以及物质布局，
它可以像陀螺一样旋转。

一个大象，不是一个非常灵巧的动物，

但是通过我们的计算技巧和 3D 打印，

它可以旋转，

和古希腊的陀螺很不同。

我今天向你们展示了
我们可以如何运用平衡

来创造令人着迷的物体，

从而重塑日常用品。

不仅仅通过改造它们的外表，

而是改造它们的物理行为设计。

这只是这项技术可能性的一瞥。

我的演讲开始于这个，

惊人的小蜻蜓。

我们可以想想，很多我们接触到的

周围的事物都是受到

平衡和动态的控制与启发。

随着 3D 打印机开发出更多的材料，

以及向着精确度和复杂性的发展，

我们可以想象未来的前景。

比如建筑学，

我们是否可以 3D 打印

在地震中自我平衡的建筑？

我们能不能用 3D 打印
设计出能与身体契合的衣服？

这关键在于将物理
与 3D 打印机的精确度，

以及打印内部结构的能力相结合。

就像你妈妈或许会说：
“内在的东西才是最重要的。”

谢谢。

（掌声）