3D打印煎饼的清华博士:他们要做3D打印界的iPhone

作者:汪婕舒 | Jieshu Wang | 本文首发机器之心


清华博士3D打印煎饼,刷爆朋友圈

9月初,一则有关清华学子放弃百万年薪、用3D打印卖煎饼、并斩获徐小平千万级投资的新闻刷爆了朋友圈。这个煎饼机可以打印出小黄人、Hello Kitty等卡通图案,还可以定制人像。徐小平就吃掉了一个印有自己头像的煎饼。

「清华」、「3D打印」、「煎饼」这三个关键词形成了鲜明的反差,引起众多喟叹和好奇——3D打印怎么摊煎饼?这有何难?他们到底想做什么?

最近,我对「3D煎饼之父」、清软海芯科技有限公司CEO施侃乐进行了深度专访。你一定想不到,摊煎饼竟然用到了有限元分析和Matlab。他说:「我们的目标是做3D打印界的iPhone!」


清华3D煎饼侠

施侃乐(左)和吴一黎(右)。摄/汪婕舒

施侃乐:北京清软海芯科技有限公司创始人、CEO,清华大学博士毕业,法国国家信息与自动化研究所博士后。

吴一黎:清华大学软件工程毕业生,供职过甲骨文和IBM,放弃百万年薪,与爱人创业卖煎饼,创办「食好运」。

施侃乐和吴一黎是清华大学2003级软件学院的同学,读书时就常在一起吃煎饼。但毕业后,两人的人生轨迹却好像和软件脱离了关系——吴一黎创办了「食好运」,开始卖煎饼,为了剁菜和赶早高峰每天起早贪黑;施侃乐从法国留学回来后开始做3D打印,为了研发自主知识产权的打印机,挥汗如雨地扛原料、拧螺丝。闯入餐饮业和制造业的他们在一次同学会上一拍即合,决定一起做点事情——用3D打印技术来摊煎饼。

3D打印煎饼,没那么简单

于是,他们成立了「煎饼机团队」,开始研发全世界第一台煎饼打印机。如今,这台名为「三弟画饼」的煎饼机已经快要上市,并将于10月8号在京东众筹。但是,研发的过程却并非一帆风顺。

“三弟画饼”煎饼机即将在京东众筹

 

施侃乐创办的清软海芯公司本身就是做3D打印的,使用的材料是无毒的塑料。一开始,大家都认为,只要把塑料换成煎饼面浆,再在底下换上加热的烤盘,打印煎饼不是分分钟的事情吗?真正着手去做,才发现困难重重。打印出来的煎饼歪歪扭扭、坑坑洼洼,甚至连一条直线都画不出来。打印头走直线时,烤盘上挤出的面浆却是S形,而且粗细不均。他们才发现,原来煎饼面浆拥有着独特的物理性质。

用有限元分析和Matlab来解决煎饼问题

3D打印又叫「增量制造」(Additive Manufacturing),简单来说就是在计算机控制下,将融化的材料挤出后层层堆叠,冷凝成固态,形成三维的形状。

所以,传统的3D打印是先融化,再冷却。但摊煎饼却是反其道而行之——面浆是凉的,挤到烤盘上加热成固体。下方烤盘的温度非常高,所以打印头不能离烤盘太近,否则面浆受热固化,就会堵住打印头,甚至可能粘在烤盘上。但是,如果打印头过于远离烤盘,烤盘上的面浆线条就会与打印头的运动轨迹不一致。这与蜂蜜十分相似——倒蜂蜜时你会发现,蜂蜜不是垂直下滴,而会打转。施侃乐曾在Nature上读过一篇论文,讲到这种螺旋形在自然界是普遍存在的,比如花儿攀藤的路径、七鳃鳗的牙齿等等,没想到摊煎饼也遇到了这种现象。有人形象地称为「流体力学缝纫机」(FMSM,fluid mechanical sewing machine),认为是由流体与底板接触点的侧向周期运动所造成。

3Dpancake-3

蜂蜜下落

为解决这个问题,他们进行了有限元分析。比方说,在打印头走直角时,面浆会拐圆角;那么,如果需要让面浆拐直角,打印头就不能走直角,而需要往相反方向进行补偿。用这种方法,他们总算可以控制煎饼的形状了。

此外,线条的宽度易受液面高度、空气量、移动速度等因素影响,也很难控制。他们拿出做科研的精神,查阅了众多文献,试验了上万根线条,采集了大量参数,拟合在高维超空间内,最后用Matlab反解出来,终于弄清楚了每个变量对线条粗细的影响。施侃乐认为,把这套“煎饼机”算法搬到真正的3D打印机中,一定能极大提高精度。

就这样,全世界第一台煎饼打印机「三弟画饼」就在上地诞生了。据介绍,京东众筹的版本将配备一台平板电脑,使用起来非常方便,用户还能自己涂上豆沙或巧克力,制作出“夹心”的煎饼。

从香脆煎饼到精密玻璃

施侃乐认为,最重要的事并不是能用面浆打印出一条直线,而是在弄明白如何打印直线的过程中,解决其他材料(如玻璃)也会遇到的共同问题。3D打印玻璃是一个前沿领域,但光学仪器极其精密,目前的3D打印技术现在还远达不到工艺的要求。比如先拍摄再对焦的光场相机镜头上就拥有10万个微镜头的阵列,每个的大小只有十几微米(Lytro的微镜头高度仅为13.9微米)。

光场相机的微镜头阵列

 

原因之一是因为玻璃和煎饼面浆一样具有高黏性,并且冷却固化的速度较慢,否则容易破碎。目前玻璃打印主要采用黏合剂喷射法和烧结法,但打印出的玻璃十分脆弱,不透明,精度差,无法满足光学仪器的要求。今年8月,麻省理工学院发表了最新的玻璃3D打印技术「G3DP」,炫酷的视频在网上引起了轰动。但根据论文的介绍,他们也遇到了蛇形轨迹的问题,在打印精度、软件环境上都还存在着很多不足,打印头也常被固化的玻璃堵住。

尽管打印煎饼和打印玻璃看起来相去甚远,但在施侃乐眼里,它们的问题都是相通的,都涉及到相似的物理性质,解决的方法也有异曲同工之妙。因此他相信,煎饼问题的解决一定会为打印高精尖的材料提供深刻的启示。

「我们要做3D打印领域的iPhone!」

在普通人眼里,3D打印依然是一项前沿技术,从未想过它能走进自己家中。施侃乐认为,3D打印的现状与90年代初的个人电脑很相似。那时大家都认为电脑很有用,每个学校都竞相配备机房,可是老百姓并不会把这个笨重的家伙买回家。后来有了windows系统,图形操作界面让电脑实现了娱乐的功能,才最终走入千家万户。施侃乐认为3D打印之所以离普通人很遥远,根本原因就在于缺乏一个图形化的操作系统。因此,他的公司除了做煎饼机之外,还致力于开发3D打印机及其操作系统,让它变得简单好用。

 

施侃乐说:「我的梦想是成为3D打印界的iPhone。」但iPhone的竞争力不仅在于手机,还在于整套生态。因此,施侃乐的计划是:

  • 操作系统:开发简洁直观的图形操作系统「Neobox OS」。目前他们开发的3D打印机上配备了一个7.1英寸的高清电容屏,可完全脱离PC独立运作,还可直接访问互联网下载模型。据介绍,这是全球首款3D打印图形操作系统,连4岁的小孩子都懂如何使用。他们还开发了手机应用“3D打印工场”,可用手机操作打印。
  • 生态系统:苹果系统中的应用商店和iTunes带来了海量的玩法和内容,而施侃乐的3D打印系统中也包含应用商店和模型商店,并且已有12万个模型,可以随时下载和打印。应用商店也在建设当中。玩法多种多样,比方说,可开发「声波打印」应用,将某句话的声波打印成项链,或者与语音识别相结合,只要说一句「打印一个机器猫」,它就会自动在网上搜索模型,并打印出来。

然而,3D打印还有一个严重的问题——速度极慢,打印一个东西至少需要两三个小时,如果层数多,可能需要更长的时间。记者在清软海芯参观时,看到一台机器正在打印《星球大战》中的尤达大师。由于选择的精度太高(小小雕塑需要1644层),屏幕显示剩余时间还有56个小时!难怪有人说,有些蘑菇长得比3D打印都快。针对这个问题,施侃乐说他们已经成立了团队,专门研究高速打印。

尤达大师打印照片。摄影/汪婕舒

 

今年年初,美国Carbon 3D公司曾开发出一种高速3D打印技术CLIP(登上Science封面的3D打印“黑科技”是怎么回事?),采用光敏树脂,在10分钟内就能打印出精细的结构。

 

但是,光敏树脂对人体有毒,在施侃乐看来并不能普及到家庭使用,因此他们采用的材料、打印的过程都是全无毒的。尽管这限制了打印的速度和精度,但却是让3D打印走进家庭的必经之路。

想打印虾滑,最看好建造机器人

我还和施侃乐聊了聊其他话题,来看看这位留法清华博士对业界热门话题的看法:

Kickstarter上一个煎饼打印机的众筹项目叫PancakeBot,发起人是一位想为自己孩子打印早餐的土木工程师。和你们的机器有何区别?

施侃乐:这个项目我们有关注过。我相信他一定也会遇到和我们同样的问题,但不知道他会如何解决。

(9月26日,PancakeBot在一年一度的Maker Faire上展出,从视频中可看出,精度还亟待提高。)

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PancakeBot

 

会打印巧克力吗?有何技术难点?

施侃乐:我们也有很多朋友在研究3D打印巧克力。巧克力和煎饼不一样,它恰恰和传统的3D打印很像,高温融化后挤出,遇到冷空气凝结成固体。但巧克力的冷凝是缓慢进行的,挤出后不能定型,恨不能用液氮来冷却。

你还想打印什么食物?

施侃乐:虾滑。如果火锅、卤煮也可以用上3D打印的话,我也想尝试一下。

怎么看待3D打印器官?

施侃乐:技术尚不成熟。TED演讲上曾有人打印出一个肾,但那是非活体,不能用在人身上。细胞之间的连接非常复杂,打印出来很难存活,更不用说形成组织和器官了。器官打印目前只是一个科幻故事,媒体过度夸张了。

最近有人用3D打印月饼,你怎么看?

施侃乐:那是用3D打印出模具,再用模具来做月饼,并不是真正意义上的3D打印月饼。

如果可以选择的话,你会用3D打印去做什么?

施侃乐:建造机器人,如果它能算3D打印的话(荷兰3D打印公司MX3D正计划在阿姆斯特兰3D打印一座桥梁)。假如建筑业能用3D打印和机器人完成,将解放成千上万的劳动力。尽管短期来看他们会失业,但我相信长期来看,这是对人类创造力的解放。我认为只需10~20年,这样的变革就会发生。未来,这些重复劳动不再需要浪费宝贵的人力,人们都可以去做艺术家和哲学家,做更有创新性的事情。

3D打印和机器人如何结合?

施侃乐:3D打印机,其实就是一种机器人。在未来,机器人和3D打印技术会慢慢融合在一起,形成一整套技术栈,下端是机器人技术,上端是3D打印技术、材料科学等等,融合成一个大的门类。总体来说,我相信这套技术在未来会有极大的发展,我很看好。

结语

目前,清软海芯的3D打印机价格在1.5万~8万人民币之间,对普通家庭来说还很昂贵,主要客户是教育、企业应用和科技展示。Elon Musk曾说过,特斯拉的商业计划是先开发高档顶级电动车,用赚到的钱开发中档电动车,再用这部分收入开发便宜的普及型电动车,最终愿景是让电动车走进千家万户。施侃乐的想法与他不谋而合——先从较昂贵的商用级3D打印机做起,用这部分收入开发便宜的家用级3D打印机,最终让3D打印走下科技神坛,飞入寻常百姓家。


Reference

  1. John Klein, Michael Stern, GiorgiaFranchin, et al. Additive Manufacturing of Optically Transparent Glass. 3D Printing and Additive Manufacturing 2015;0021:91–105.
  2. Brun P-T, Audoly B, Ribe NM, et al. Liquid ropes: Ageometrical model for thin viscous jet instabilities. PhysRev Lett 2015;174501:1–5.

 

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