神话中的神笔马良，能将笔下的图画变成现实。而近日，来自韩国首尔大学的研究团队，用一支“马克笔”做到了这一点。在用这只神奇的马克笔作画后，只需要将图画在溶液中浸泡3分钟，图画中的2D形状就能“跳”出纸面，变成3D结构。
这其实是由韩国首尔大学的生物工程学家研发的4D打印技术：利用两种特殊染料在2D平面上作画，再将图画在过硫酸钾溶液中浸泡3分钟，即可将其转变为3D物体。
这项不可思议的新技术，源自科学家发现的一个有趣现象。研究论文的第一作者，来自首尔大学电子工程与计算机科学系的Seo Woo Song在接受《环球科学》采访时表示：“我们偶然发现，把马克笔画出的图像浸泡在水中，图像竟然可以从纸上脱落，漂在水面上。后来我们才知道，这个现象其实很常见，甚至是一个非常流行的儿童趣味实验。”
2017年，普林斯顿大学的工程学家塞皮德·胡拉帕拉斯特（Sepideh Khodaparast）及其团队也注意到了这一现象。他们用马克笔在玻璃上写字后，将玻璃以1 μm/s的速度缓慢地浸入水中，结果发现字迹从玻璃表面完整地脱落。该团队随后于《物理评论快报》（Physical Review Letter）上发表论文，对该现象的物理学机制做出了说明。
Song及其团队提出的4D打印技术的灵感来源。基于以上发现，他们开发出了红色和黑色两种颜料。这两种颜料都含有PVB，但不同的是，红色颜料中含有表面活性剂，因此能够从玻璃等基质上脱离，并漂浮在水面上；而黑色颜料中不含表面活性剂，因此仍然附着在基质上，起到固定红色颜料的作用。在用两种颜料进行绘画后，将图像浸泡在水溶液中，红色颜料就可以漂浮起来，形成立体结构。
研究团队发现，如果用纯水浸泡马克笔字迹，那么形成的3D结构将在离开水溶液后，因失去表面张力的作用而迅速变形。为了解决这个问题，研究团队在红色颜料中加入了少量的亚铁离子，并将水溶液换为质量浓度为50%的过硫酸钾溶液。实验结果表明，PVB薄膜表面形成了一层300微米的水凝胶，将3D物体的刚度提高至原来的1000倍。
除了让石头开花之外，这只“神笔”还可以在手套上画出展翅的蝴蝶、在树叶上绘制正欲起跳的青蛙。在论文中，研究人员尝试了在手套、玻璃、陶瓷、树叶、金属和石头上作画。在进行3分钟的浸泡后，这些图画均可成功实现2D到3D的转变。
这项研究看上去似乎只是科学家的奇思妙想，但其实它在尝试解决制造业的一个瓶颈问题。我们所制造的许多物品都局限在二维平面中，需要通过机器或人工的方式进行组装。这样制造出的物品，不仅需要耗费额外的时间与劳动力，而且在复杂度和精巧度上也有所欠缺。而3D打印技术能够很好地解决这个问题，其本质是二维平面的层层堆叠。
尽管如此，制作CAD文件较为复杂、3D打印耗时较长、成本高昂等限制因素，使得3D打印技术距大规模使用仍存在一定距离。科学家希望，能够将2D打印的便捷性与3D打印的精巧性结合起来——4D打印技术由此诞生。
为了展示该技术在大规模应用上的潜力，研究人员不仅展示了如何用机械臂大批量绘制2D图案，同时还搭建了流水线，实现了2D-3D转化过程的自动化。在流水线上，首先由机械臂绘制2D图案，然后这些图案被运到过硫酸钾水槽中浸没3分钟，产生3D结构并被定型。
下一步，研究团队将探究如何赋予颜料更多的功能性。目前，由于颜料中含有亚铁离子，因此制造的物体具有磁性，能够对磁场产生响应。Song表示：“这一特征使该技术有望用于磁力驱动的软体机器人的制造，它能够解决软体机器人领域难以制造出复杂且灵活的3D结构这一问题。”
另一个可能的应用，是将这项技术用于电子制造领域。哈佛大学的工程学家珍妮弗·刘易斯（Jennifer Lewis）表示，如果PVB薄膜能够携带电路，“这将会非常强大”。在论文中，研究人员尝试了向颜料中添加碳纳米管。结果显示，制造出的3D物体具有一定的导电性。
目前，团队正在探究半导体的主要成分光刻胶（photoresist）是否也能用作颜料。而在制造业之外，这项技术也可能大放异彩。正如韩国国立蔚山科学技术院的材料学家Jiyun Kim所说：“人们对于手绘有种朴素的热爱。能够看到自己笔下的一切变为现实，将是一件非常有趣的事情。这也是为什么我觉得，在其科学价值之外，这项技术也拥有独特的艺术价值。”