4D打印技术及其教育应用展望——兼论与“人工智能+教育”的融合
发布时间：2020-12-14 01:49
作为第四次工业革命标志技术之一的4D打印技术,是增材制造领域的尖端技术。与当下3D打印技术相比,4D打印增加了时间维度,使打印产品能基于时间,接受特定外部刺激因子作用,实现自动形变、自动修复、自动组装。4D打印具有人本性、智能性、交互性、生态性和生成性等教育应用特性,可以为教学者或学习者打印个性化的教具、学具和玩具;同时,利用其自适应和自组装能力,可以重构智能化的学习空间,方便学习者进行协同编程,以培养信息时代所需要的编程素养。4D打印技术的教育应用,可以进一步深化和推动当下STEAM教育的跨学科教学,培养学习者的跨学科学习能力。未来教育是人与人工智能的协作,以人工智能为核心的新技术将与教学融合,成为下一个核心驱动力。4D打印也是人工智能在教育领域应用的重要形式,其具有的智慧属性,将更好地服务和支持未来教育,服务于面向未来的创新人才培养。
【文章来源】：远程教育杂志. 2018年01期 北大核心CSSCI
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
打印的主要构成要素
244期二、4D打印技术的特点及工作原理（一）4D打印的定义自上世纪80年代第一个增材制造系统被提出以来，增材制造领域取得了巨大的发展[10]。增材制造（AdditiveManufacturing）以3D打印或快速原型为大众所熟知，是一种可以将材料自由塑型的制造技术。3D打印技术能够快速制造出产品的预想结构，并且不需要额外的塑模与加工。近年来，3D打印的材料价格不断下降，软硬件设施得到优化升级，可打印材料种类数目激增，推动了4D打印的出现。2013年，麻省理工学院自组装实验室首次提出了4D打印概念[11]。如图1所示，实验室负责人斯凯拉·蒂比茨（SkylarTibbits）在TED演讲上向世人展示了其团队在实现4D打印技术上的努力：与Stratasys、Autodesk公司合作开发出一条由可延展与不可延展材料混合而成的线装打印体。这种复合材料结构体，由两种不同孔隙率和吸水性的材料组合而成，通过计算机辅助设计加入复杂的算法，使得线状物体遇水能够向指定方向形变，最终形成立方体结构。图1线状物体遇水变形成正方体结构[12]因此，4D打印最初被定义为3D打印与时间维度的结合，这种结合表现为：通过3D打印出的结构在外部刺激因子（如，水、热、光）作用下在时间的维度中发生变化[13-15]。斯凯拉·蒂比茨等人认为，4D打印是一个全新的处理过程，“该过程需要复合材料的参与，同时，材料在外部触发下有能力随着时间而改变；或者是一个定制化的材料系统，可以从一种形状转变到另一种……第四个维度———时间，指的是随时间而变化，强调打印出的结构体不再是静态的物体，而是具有可编程性，并且能独立转换的智能结构”[16]。但根据Pei等人给出的定义：4D打印是使用特定的增材制造技术以及具有刺激反馈的智能材料来建造物?
能材料对外部刺激的反馈作为主要特点。我们认为，4D打印技术需要对两种定义进行整合：智能材料是一种在外部特定环境的刺激下，能够以有效的方式在不同物理域之间变化形态或属性的材料。智能材料的使用，能够保证打印出的物理结构按照预设的方式，在时间维度下产生变化。现阶段许多4D打印应用，受限的原因就是没有找到合适的材料特性。例如，4D打印可以组装人造肌肉，但目前材料的相关变化机制和属性不足以达到人造生物肌肉的标准[25]。因此，先进的智能材料和打印设备，对于未来4D打印应用的普及至关重要。如图3所示，Sun等人将智能或刺激反馈材料进一步划分为多个子类。根据其分类特征，这类材料的性能可以归结为：自动感知、决策、可反愧形体记忆、自适应、多功能和自我修复。2.4D打印设备在通常情况下，4D打印结构是通过打印设备将不同材料合理分布并一次成型的结构体[26]。不同的材料属性，例如，溶胀比、热膨胀系数，可以使结构按特定方式变化成为可能。近年来，Stratasys公司所研发的聚合物喷射（PolyJetTechnology）3D打印技术，在处理复合材料打印方面取得了较大进展[27]；选择性激光熔化技术（SelectiveLaserMelting）则实现使用具有高能量密度的激光，熔化金属粉末层以创造均匀的3D金属结构，而不需要任何粘合剂和额外的支持[28]，这些进步都推动了4D打印的发展。JinChoi等学者使用通过基于材料成型技术（MaterialExtrusion）特制的3D打印设备，设计出在加热作用下能够定向弯曲的人造手假体[30]。该结构体是由热塑性聚氨酯（TPU），一种形状记忆聚合物的柔性材料组成。其使用的3D打印设备经过改良，材料喷嘴处涂覆聚四氟乙烯并设置加热温床，可有效避免TPU材料阻塞喷嘴以及制造过程中的热?
【参考文献】：
期刊论文
[1]构筑“人工智能+教育”的生态系统[J]. 吴永和,刘博文,马晓玲. 远程教育杂志. 2017(05)
[2]人工智能2.0重塑学习的技术路径与实践探索——兼论智能教学系统的功能升级[J]. 陈凯泉,沙俊宏,何瑶,王晓芳. 远程教育杂志. 2017(05)
[3]人工智能教育应用与研究中的新区、误区、盲区与禁区[J]. 张坤颖,张家年. 远程教育杂志. 2017(05)
[4]形塑学习(Solid Learning)教学环境下大学生创新能力影响机制研究[J]. 翟雪松,董艳,詹巧巧. 远程教育杂志. 2017(03)
[5]“人工智能+”时代的个性化学习理论重思与开解[J]. 牟智佳. 远程教育杂志. 2017(03)
[6]以STEM教育创新引领教育未来——美国《STEM 2026:STEM教育创新愿景》报告的解读与启示[J]. 金慧,胡盈滢. 远程教育杂志. 2017(01)
[7]不教的教育学——“互联网+”时代教育学的颠覆性创新[J]. 谭维智. 教育研究. 2016(02)
[8]新兴技术如何变革高等教育—《2014地平线报告(高等教育版)》深层次解读[J]. 王运武,周静,杨曼. 中国医学教育技术. 2014(04)
[9]3D打印及其教育应用初探[J]. 王萍. 中国远程教育. 2013(08)
[10]教育技术应用和研究的盲区——残疾人群的教育[J]. 张家年,朱晓菊,程君青. 现代教育技术. 2006(04)
本文编号：2915576
【文章来源】：远程教育杂志. 2018年01期 北大核心CSSCI
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
打印的主要构成要素
244期二、4D打印技术的特点及工作原理（一）4D打印的定义自上世纪80年代第一个增材制造系统被提出以来，增材制造领域取得了巨大的发展[10]。增材制造（AdditiveManufacturing）以3D打印或快速原型为大众所熟知，是一种可以将材料自由塑型的制造技术。3D打印技术能够快速制造出产品的预想结构，并且不需要额外的塑模与加工。近年来，3D打印的材料价格不断下降，软硬件设施得到优化升级，可打印材料种类数目激增，推动了4D打印的出现。2013年，麻省理工学院自组装实验室首次提出了4D打印概念[11]。如图1所示，实验室负责人斯凯拉·蒂比茨（SkylarTibbits）在TED演讲上向世人展示了其团队在实现4D打印技术上的努力：与Stratasys、Autodesk公司合作开发出一条由可延展与不可延展材料混合而成的线装打印体。这种复合材料结构体，由两种不同孔隙率和吸水性的材料组合而成，通过计算机辅助设计加入复杂的算法，使得线状物体遇水能够向指定方向形变，最终形成立方体结构。图1线状物体遇水变形成正方体结构[12]因此，4D打印最初被定义为3D打印与时间维度的结合，这种结合表现为：通过3D打印出的结构在外部刺激因子（如，水、热、光）作用下在时间的维度中发生变化[13-15]。斯凯拉·蒂比茨等人认为，4D打印是一个全新的处理过程，“该过程需要复合材料的参与，同时，材料在外部触发下有能力随着时间而改变；或者是一个定制化的材料系统，可以从一种形状转变到另一种……第四个维度———时间，指的是随时间而变化，强调打印出的结构体不再是静态的物体，而是具有可编程性，并且能独立转换的智能结构”[16]。但根据Pei等人给出的定义：4D打印是使用特定的增材制造技术以及具有刺激反馈的智能材料来建造物?
能材料对外部刺激的反馈作为主要特点。我们认为，4D打印技术需要对两种定义进行整合：智能材料是一种在外部特定环境的刺激下，能够以有效的方式在不同物理域之间变化形态或属性的材料。智能材料的使用，能够保证打印出的物理结构按照预设的方式，在时间维度下产生变化。现阶段许多4D打印应用，受限的原因就是没有找到合适的材料特性。例如，4D打印可以组装人造肌肉，但目前材料的相关变化机制和属性不足以达到人造生物肌肉的标准[25]。因此，先进的智能材料和打印设备，对于未来4D打印应用的普及至关重要。如图3所示，Sun等人将智能或刺激反馈材料进一步划分为多个子类。根据其分类特征，这类材料的性能可以归结为：自动感知、决策、可反愧形体记忆、自适应、多功能和自我修复。2.4D打印设备在通常情况下，4D打印结构是通过打印设备将不同材料合理分布并一次成型的结构体[26]。不同的材料属性，例如，溶胀比、热膨胀系数，可以使结构按特定方式变化成为可能。近年来，Stratasys公司所研发的聚合物喷射（PolyJetTechnology）3D打印技术，在处理复合材料打印方面取得了较大进展[27]；选择性激光熔化技术（SelectiveLaserMelting）则实现使用具有高能量密度的激光，熔化金属粉末层以创造均匀的3D金属结构，而不需要任何粘合剂和额外的支持[28]，这些进步都推动了4D打印的发展。JinChoi等学者使用通过基于材料成型技术（MaterialExtrusion）特制的3D打印设备，设计出在加热作用下能够定向弯曲的人造手假体[30]。该结构体是由热塑性聚氨酯（TPU），一种形状记忆聚合物的柔性材料组成。其使用的3D打印设备经过改良，材料喷嘴处涂覆聚四氟乙烯并设置加热温床，可有效避免TPU材料阻塞喷嘴以及制造过程中的热?
【参考文献】：
期刊论文
[1]构筑“人工智能+教育”的生态系统[J]. 吴永和,刘博文,马晓玲. 远程教育杂志. 2017(05)
[2]人工智能2.0重塑学习的技术路径与实践探索——兼论智能教学系统的功能升级[J]. 陈凯泉,沙俊宏,何瑶,王晓芳. 远程教育杂志. 2017(05)
[3]人工智能教育应用与研究中的新区、误区、盲区与禁区[J]. 张坤颖,张家年. 远程教育杂志. 2017(05)
[4]形塑学习(Solid Learning)教学环境下大学生创新能力影响机制研究[J]. 翟雪松,董艳,詹巧巧. 远程教育杂志. 2017(03)
[5]“人工智能+”时代的个性化学习理论重思与开解[J]. 牟智佳. 远程教育杂志. 2017(03)
[6]以STEM教育创新引领教育未来——美国《STEM 2026:STEM教育创新愿景》报告的解读与启示[J]. 金慧,胡盈滢. 远程教育杂志. 2017(01)
[7]不教的教育学——“互联网+”时代教育学的颠覆性创新[J]. 谭维智. 教育研究. 2016(02)
[8]新兴技术如何变革高等教育—《2014地平线报告(高等教育版)》深层次解读[J]. 王运武,周静,杨曼. 中国医学教育技术. 2014(04)
[9]3D打印及其教育应用初探[J]. 王萍. 中国远程教育. 2013(08)
[10]教育技术应用和研究的盲区——残疾人群的教育[J]. 张家年,朱晓菊,程君青. 现代教育技术. 2006(04)
本文编号：2915576
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