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。
视频：3D打印小黄人煎饼
「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，机器之心对「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）
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。
视频：3D打印是什么？它能改变世界吗？（字幕由机器之心翻译出品）
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。
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。
MIT的G3DP玻璃3D打印技术也存在轨迹问题
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。
清软海芯的3D打印机及操作系统
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：
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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。
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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[/caption] 今年年初，美国Carbon 3D公司曾开发出一种高速3D打印技术CLIP（点此可看机器之心对此的报道），采用光敏树脂，在10分钟内就能打印出精细的结构。
Carbon 3D的CLIP技术
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
机器之心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：
机器之心：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。）
PancakeBot
机器之心：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。
机器之心：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。
机器之心：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。
机器之心：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。
机器之心：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。
机器之心：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。
参考文献：
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John Klein, Michael Stern, GiorgiaFranchin, et al. Additive Manufacturing of Optically Transparent Glass. 3D Printing and Additive Manufacturing 2015;0021:91–105.
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Brun P-T, Audoly B, Ribe NM, et al. Liquid ropes: Ageometrical model for thin viscous jet instabilities. PhysRev Lett 2015;174501:1–5.
