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    3D打印在科研上的應(yīng)用十分廣泛，但你沒(méi)想到吧，工作全靠腦子的理論物理學(xué)家也將其視為好幫手。近日，英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的一群本科生和研究人員使用一臺(tái)普通的3D打印機(jī)生動(dòng)地展示了如何將復(fù)雜的物理學(xué)理論以3D模型的形式活靈活現(xiàn)地展現(xiàn)出來(lái)。 

   經(jīng)過(guò)八個(gè)小時(shí)，花了大約12英鎊，他們根據(jù)數(shù)學(xué)模型打印了一個(gè)8立方厘米大小的物品，以揭示森林火災(zāi)如何啟動(dòng)并隨著時(shí)間蔓延。他們的工作成果發(fā)表在《歐洲物理快報(bào)》上。 

   他們將這種方法命名為“Sculplexity”，即立體復(fù)雜性雕塑。他們認(rèn)為這種方法可以創(chuàng)造具有科學(xué)風(fēng)格的藝術(shù)作品，或者啟發(fā)科技人員變換思維角度與思考方向。 

   帝國(guó)學(xué)院理論物理學(xué)家，論文的共同作者Tim Evans博士說(shuō)：“這項(xiàng)研究的靈感來(lái)自參觀倫敦Victoria&Albert博物館，在那里我看到了有史以來(lái)首個(gè)被博物館收藏的3D打印物品。”

   “這個(gè)3D打印物品是一張模仿自然界樹(shù)木生長(zhǎng)形態(tài)的桌子。而樹(shù)狀結(jié)構(gòu)常常代表著物理學(xué)中的復(fù)雜系統(tǒng)。這使我思考，還有什么其他熟悉的物理過(guò)程轉(zhuǎn)化成實(shí)實(shí)在在的3D對(duì)象？” 

    復(fù)雜系統(tǒng)往往是由許多不同的時(shí)間和空間尺度進(jìn)行交互而成并在更大的時(shí)空中表現(xiàn)出一定的規(guī)律性和和特定模式。一個(gè)活的有機(jī)體是復(fù)雜系統(tǒng)的最好例子，據(jù)此，各個(gè)獨(dú)立的部分，如細(xì)胞，進(jìn)行互相作用，并幫助在宏觀尺度上產(chǎn)生特定的行為與功能。 

    許多復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用可以映射成一個(gè)個(gè)劃分成同樣正方形的二維網(wǎng)格，或“單元（Cells）”。每個(gè)單元以一定的狀態(tài)存在，隨著時(shí)間演化，并通過(guò)一組特定的規(guī)則制約形成特定的反應(yīng)過(guò)程。 

    在研究中，研究人員以森林火災(zāi)為例，其中每個(gè)單元代表一個(gè)樹(shù)，這棵樹(shù)的狀態(tài)分為三種：活的、死的或燃燒著的。根據(jù)一組規(guī)則確定每個(gè)單元隨著時(shí)間的推移表現(xiàn)出來(lái)的確切狀態(tài)，這些規(guī)則包括，樹(shù)木之間接觸傳遞的燃燒或被雷擊中發(fā)生燃燒等。

  “它的基本思想很簡(jiǎn)單。3D打印機(jī)是逐層構(gòu)建對(duì)象的。因此，構(gòu)建對(duì)象的高度可以被認(rèn)為隨著時(shí)間變化。假設(shè)你的數(shù)學(xué)模型表達(dá)的是一個(gè)隨著時(shí)間變化的二維平面，通常這個(gè)二維平面能被分割成多個(gè)基本單元，每個(gè)單元能夠被定義兩個(gè)以上的狀態(tài)。

  “數(shù)學(xué)模型將生成在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上二維平面的狀態(tài)并交給3D打印機(jī)打印出來(lái)，到了下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，再打印下一層。這樣最終打印出來(lái)的最終3D對(duì)象反映的是這個(gè)數(shù)學(xué)模型隨著時(shí)間而演變的全過(guò)程。” Evans博士說(shuō)。

  “我們?cè)诘蹏?guó)學(xué)院的研究小組正試圖通過(guò)尋找心肌單個(gè)細(xì)胞行為的簡(jiǎn)單模型來(lái)解釋心臟跳動(dòng)異常，我們將通過(guò)3D打印將其可視化。同時(shí)，代表疾病傳播大多數(shù)模型也可以被可視化。”

  “當(dāng)然也會(huì)有許多其他的例子，我們只是希望這種用3D打印將理論模型傳化成實(shí)際對(duì)象的方法能夠激發(fā)同行們更多的創(chuàng)造性。”Evans博士總結(jié)說(shuō)。