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

   經(jīng)過八個小時，花了大約12英鎊，他們根據(jù)數(shù)學模型打印了一個8立方厘米大小的物品，以揭示森林火災(zāi)如何啟動并隨著時間蔓延。他們的工作成果發(fā)表在《歐洲物理快報》上。 

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

   帝國學院理論物理學家，論文的共同作者Tim Evans博士說：“這項研究的靈感來自參觀倫敦Victoria&Albert博物館，在那里我看到了有史以來首個被博物館收藏的3D打印物品。”

   “這個3D打印物品是一張模仿自然界樹木生長形態(tài)的桌子。而樹狀結(jié)構(gòu)常常代表著物理學中的復(fù)雜系統(tǒng)。這使我思考，還有什么其他熟悉的物理過程轉(zhuǎn)化成實實在在的3D對象？” 

    復(fù)雜系統(tǒng)往往是由許多不同的時間和空間尺度進行交互而成并在更大的時空中表現(xiàn)出一定的規(guī)律性和和特定模式。一個活的有機體是復(fù)雜系統(tǒng)的最好例子，據(jù)此，各個獨立的部分，如細胞，進行互相作用，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個劃分成同樣正方形的二維網(wǎng)格，或“單元（Cells）”。每個單元以一定的狀態(tài)存在，隨著時間演化，并通過一組特定的規(guī)則制約形成特定的反應(yīng)過程。 

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

  “它的基本思想很簡單。3D打印機是逐層構(gòu)建對象的。因此，構(gòu)建對象的高度可以被認為隨著時間變化。假設(shè)你的數(shù)學模型表達的是一個隨著時間變化的二維平面，通常這個二維平面能被分割成多個基本單元，每個單元能夠被定義兩個以上的狀態(tài)。

  “數(shù)學模型將生成在每個時間點上二維平面的狀態(tài)并交給3D打印機打印出來，到了下一個時間點，再打印下一層。這樣最終打印出來的最終3D對象反映的是這個數(shù)學模型隨著時間而演變的全過程。” Evans博士說。

  “我們在帝國學院的研究小組正試圖通過尋找心肌單個細胞行為的簡單模型來解釋心臟跳動異常，我們將通過3D打印將其可視化。同時，代表疾病傳播大多數(shù)模型也可以被可視化。”

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