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編譯：奧vi丫
很少有時間寫出我們所經歷的每一個很酷的科學故事。
今年我們將再次舉辦特別的聖誕節十二天系列文章，從12月25日至1月5日每天都重點介紹一個被大家忽視的科學故事。下面進入美好的十二天中最後一個主題：隨環境溫度變化而改變形狀的網格。
3D打印中的下一個大問題可能就是所謂的“4D材料”，這種材料沿用與3D相同的製造技術，但被設計為隨著時間根據環境（如溼度和溫度）的變化而變形，它們有時也被稱為主動摺紙或變形系統。
麻省理工學院的科學家成功地創建了可以變形為包括人臉在內的複雜結構的平面結構，這些複雜結構比以前已經實現的複雜得多。他們於去年秋天在《美國國家科學院院刊》上發表了他們的研究結果。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/content/116/42/20856
先前的研究人員已經成功地提出了將此類材料簡單變形的方法。麻省理工學院機械工程師、PNAS論文的合著者威姆·範·里斯（Wim van Rees）設計了一種理論方法，該方法可以將薄的平板變成更復雜的形狀，例如球體、拱形或人臉。
他說：“我的目標是從我們都希望實現的複雜的3D形狀開始，比如人臉。然後提出問題：‘我們如何通過編程一個材料來實現目標呢？'這是一個逆設計問題。”
但是他最初的模擬針對一種理想化的材料展開，這種材料可以擴展或收縮的程度沒有界限，而大多數現實世界中的材料都具有侷限性。這就是19世紀數學家卡爾·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）首次描述的“雙曲率”問題。
高斯在1828年提出了他的“Therema Egregium”（“絕妙定理”的拉丁文），認為只要測量表面的角度和距離就可以確定表面的曲率。這意味著表面曲率在彎曲時不會改變，例如，通過摺疊一片美味的比薩以便以最小的混亂度來食用它，混亂度減小由於摺疊使該薄片在垂直於摺疊的方向上更加堅硬。這也是瓦楞紙箱和品客（Pringle）品牌薯片的強度背後的秘密，以及科學家能夠弄清楚宇宙是平面的原因。
但是有一個警告是：表面無法拉伸、收縮或撕裂，這使你在嘗試將平面變形為具有不同高斯曲率的複雜形狀時遇到問題。範·里斯將他面臨的挑戰比作試圖包裝足球。紙的高斯曲率為零，而球具有雙曲率。因此，為了包裹足球，你必須將紙的側面和底部折皺，也就是說紙張必須在所有合適的位置拉伸或收縮。
為了解決這個問題，範·里斯和他的同事決定使用網格狀的格柵結構，而不是在初始模擬中建模使用的連續的薄片。他們用橡膠材料製成格柵，這種材料隨著溫度升高會膨脹。格柵中的間隙使材料更容易適應表面積變化特別大的情況。麻省理工學院的團隊使用高斯圖像創建了一個虛擬地圖，該地圖顯示了將平面重新配置為人臉需要彎曲的程度。然後，他們設計了一種算法，將其轉換為能在格柵中體現出來的正確的肋骨形態。
他們設計了肋骨，使其在整個網片上以不同的速率生長，每個肋骨都能彎曲得足以呈現鼻子或眼眶的形狀。印刷後的格柵在熱烘箱中固化，然後在鹽水浴中冷卻至室溫。瞧！它變成了人臉。該小組還製作了一個共振頻率隨著變形而變化的格柵，它包含轉變成有源天線的導電液態金屬。
這些可變化形狀的材料有一天可能被用來製造僅靠改變溫度（或其他環境條件）就能自行展開和膨脹的帳篷。其他潛在用途包括可變形望遠鏡鏡片、支架、用於人造組織的支架和軟機器人等。
範·里斯說：“我希望看到這種現象，比如，當我把機器人水母放入水中後，它會改變形狀來游泳。如果你可以將其用作執行器，例如人造肌肉，那麼執行器可以是任意形狀、也可以轉換為其他任意形狀。然後，你將進入軟機器人領域一個全新的設計空間。”
相關報道：
https://arstechnica.com/science/2020/01/just-change-the-temperature-to-make-this-material-transform-into-a-human-face/
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