最初的《星际迷航》电视系列于1966年首播，距今已有五十年，但现代社会仍然受到这项能够大胆带领“进取号”船员前往前人未至之境的技术的启发。剧中使用的通讯器启发了2000年代初期的翻盖手机，而PADD（个人访问数据设备）则影响了平板电脑的发展。正如早期系列中的技术激发了工程师和科学家的想象力一样，《星际迷航：下一代》中的设备也激发了他们的想象。“《星际迷航》中的对话式计算机，我们现在称之为Siri，”CBS消费品部门执行副总裁兼总经理Liz Kalodner告诉《热门科学》。（作者注：CBS拥有《星际迷航》电视系列的版权。）“通用翻译器启发了Google翻译，而乔迪·拉福奇的护目镜则启发了Google Glass。至于今天的虚拟现实，它确实是全息甲板的实现。科幻小说已经变成了科学现实。”
然而，一个尚未被复制的技术也许是该系列中最著名的——复制器，一种回收物质以制造任何已编程到其数据库中的物体的机器。当《星际迷航：下一代》于1987年首播时，复制器至少在表面上看起来遥不可及，更可能是不可能的。但随着消费级和商用3D打印机越来越普遍，复制器式设备的概念已不再那么不可能了。
今年二月，Future Engineers（一个在线平台，为年轻发明家提供挑战）与NASA、美国机械工程师学会（ASME）基金会以及《星际迷航》合作，发起了《星际迷航》复制器挑战赛。这项比赛旨在激励下一代创客，挑战K-12学生（在大学年龄或以上导师的帮助下），设计一个可3D打印的非食用食品数字3D模型，用于在2050年在国际空间站及其他地方进行3D打印。为未来的宇航员提供解决方案，需要创客们考虑饮食的各个方面，从种植和储存作物到处理食物垃圾，以及如何以可持续的方式实现这些目标。“3D打印也是一种让学生掌握‘如果你能梦想，就能创造’的整体理念的方式，”Future Engineers联合创始人兼ASME基金会成员Deanne Bell告诉《热门科学》。“我们越早将这一点介绍给学生，他们就会梦想得更大，创造得也越多。”
那些创客可能不是认为自己擅长数学或科学的学生。Niki Werkheiser，《Future Engineers》联合创始人兼NASA太空制造项目经理，告诉《热门科学》，这项比赛旨在教导那些更具艺术倾向的儿童和青少年，工程学是一种思维方式，而不是一种学位。“我们需要创造力，需要那些能够跳出常规思维的人，而设计过程是非常有创造性的，”她说。“人们在想到工程学时，往往不会想到这一点。有些艺术家是我们最好的设计师。”
任何希望参加《星际迷航》复制器挑战赛的人都应该阅读规则，并在2016年5月1日之前在Future Engineers网站上提交他的或她的设计。初级（5-12岁）和青少年（13-19岁）类别的所有提交作品都将在《星际迷航》复制器挑战赛展廊中展示。比赛每个类别的获胜者将获得一次前往纽约市的机会，与宇航员一起参观“企业号”航天飞机，以及在无畏海、空、太空博物馆的“星际舰队学院”体验，并获得一份“星际迷航神秘奖品包”。
地球上的3D打印
3D打印，也称为增材制造，由Charles “Chuck” Hull发明，并于1986年3月11日获得专利。与计算早期一样，早期的3D打印机比我们今天在家庭和学校看到的要大得多。
“计算机的起源，它们首先来到学校和大学的计算机实验室。我们看到了3D打印的同样情况，”3D打印机制造商Makerbot的公共关系总监Johan-Till Broer说。“计算机进入家庭，然后发展到笔记本电脑和智能手机。我们看到了3D打印的类似趋势，而我们正处于3D打印今天的阶段，非常类似于20世纪80年代的计算机。”
Werkheiser也将现代3D打印机与20世纪80年代的计算机进行了比较，包括它们缺乏用户友好性。“当计算机刚出现时，你需要成为一个‘计算机人’才能真正操作一台计算机，”她说。“现在，计算机非常用户友好，它只是一个实现我们想要的数百万种功能的机制，而这正是3D打印机的发展方向。它们正在研究如何进行交互并将其用于我们在地球上日常生活中可能有的任何有意义的应用。”
当使用塑料丝（3D打印机的墨盒等同物）的3D打印机的专利于2009年到期时，像Makerbot这样的公司开始涌现，它们专注于制造更易于使用的桌面3D打印机。然而，五年多后，这些桌面3D打印机在大多数家庭中仍然不是常态，Broer意识到了这一点。“在3D打印机进入家庭和消费者接受它方面，有很多炒作，”他承认，“而且今天确实有消费者在使用3D打印机，但仍然是一个非常小的群体。”
然而，越来越多的学校正在购买3D打印机，教育工作者也随之将增材制造纳入了他们的课程。事实上，一些学区，例如新泽西州蒙特克莱尔的蒙特克莱尔公立学区，正在大力投资，在各自学区的每所学校都购买3D打印机。
Broer设想，蒙特克莱尔的一名学生在小学开始学习3D打印技能，在中学和高中继续磨练这些技能，然后在大学时与一位创业者合作，在像宾夕法尼亚州立大学或蒙特克莱尔州立大学这样的学校就读时创造出真正的产品。这两所大学最近都购买了Makerbot创新实验室（一套由Makerbot购买的、包含30台或更多联网3D打印机的实验室）。“当你这样思考，看到一个学生从很早就开始的旅程，并且这个学生将来会进入劳动力市场，你就能真正看到[童年习得的技能对人生的影响]。”
教授3D打印，或科学、技术、工程、数学（STEM）课程中的任何科目，不仅仅关乎该学科本身。“核心在于解决问题的方面，”Broer说，“学生之间的协作，以及从失败中学习。这些是帮助学生取得成功的核心技能。”
学生们正在利用3D打印取得成功。今年年度白宫科学展的五名参赛者，包括三名个人发明家和两支团队，3D打印了他们项目的原型或最终版本。其中最年轻的参赛者，九岁的Jacob Leggette，让一家打印机公司捐赠了一台打印机，以换取关于一个八岁孩子使用它的便捷程度的反馈。随着3D打印机在地球、国际空间站及其他地方越来越普遍，它们需要对所有年龄段的创客都友好易用。
太空中的3D打印
随着《星际迷航》复制器挑战赛临近尾声，NASA正在准备3D打印首届Future Engineers挑战赛（2014年）的获胜设计——一个由当时的高中生Robert Hillan设计的万能精密维护工具。“我希望它尽可能有用，我知道NASA非常重视节省空间和重量，这就是我提出多功能工具的原因，”Hillan，现在是阿拉巴马大学亨茨维尔分校航空航天与机械工程专业的学生，告诉《热门科学》。“他的工具将是第一个在国际空间站（NASA员工称之为‘空间站’或‘空间站’）上3D打印的学生设计产品，并将于今年年底打印出来。”
在空间站上进行3D打印的能力对NASA来说变得越来越重要。Werkheiser保守估计，任务期间使用的零件和材料有40%在某个时候会失效。然而，NASA必须为每一个零件都备有备份，因为他们无法知道哪个会需要更换。“在空间站上，我们仍然认为运营和规划非常依赖地球，因为船员距离地球只有几个小时的路程，”Werkheiser说。
太空制造
过去，运载到火箭上的每一个物品都必须经过NASA安全小组的审查才能发射到空间站。NASA宇航员甚至不允许携带叉子到国际空间站，因为它们可能会刺伤宇航员的眼睛。取而代之的是，他们每人只得到一把长而细的勺子来吃饭，如果丢了就得不到更换。所以，可以理解的是，勺子是宇航员要求NASA设计和打印的东西的优先项。“这是生活便利，但也是现实世界的事情，”Werkheiser说。“你必须吃饭，这似乎相当重要。”现在，安全小组会收到打印物品的副本，并且必须相信在空间站上打印的物品与他们检查的物品是相同的，因为它们都来自同一个模型。Werkheiser还提到了Commander Barry “Butch” Wilmore在空间站期间要求的另一件物品——一个组装好的（3D打印对象，由于大于打印机体积，必须分块制造）痒痒挠。空间站的干燥环境使他的皮肤干燥并感到瘙痒。“当然，他要求的第一个物品，”她开玩笑说，“是一个长而尖的物体，可以让他挠痒痒。”
更长期的探索任务，例如载人前往火星或小行星的任务，带来了更大的挑战。NASA的火星探索任务大约需要三年才能完成；船员需要九个月才能到达红色星球，他们在表面停留12到18个月，然后需要另外九个月才能返回地球。如果在途中或在表面发生零件故障，宇航员就无法指望NASA为他们提供更换件。然而，增材制造正在改变NASA的运作方式。
每次任务对可以装入火箭的物体的体积和质量都有非常严格的限制。Werkheiser表示，一项为期三年的探索任务将产生约700公斤（超过1500磅）的垃圾，包括但不限于塑料袋、泡沫和食品容器。这些垃圾占据了飞船上宝贵的空间，并需要NASA购买额外的燃料来克服火箭的质量并将其送入轨道。与其在飞船上装载三年的备件，不如装载足够的丝材来替代统计上会失效的40%的零件，从而减少材料的质量和体积。
3D打印机还可以防止另一起类似阿波罗13号的事件，即发生NASA无法预料的意外。在这种情况下，NASA工程师可以设计出所需的零件，并在飞船或地面栖息地远程为其船员打印出来。
另一种最终会减轻发射质量的技术是丝材回收机，目前由Tethers Unlimited公司建造。一旦需要3D打印对象的任务完成，该对象就可以被融化并重新打印成完全不同的东西，从而减少了每次任务所需的丝材。该回收机预计将于2017年底完成并发射到空间站。
NASA意识到这一切看起来都很科幻，而且在增材制造完全整合到NASA的运营中之前，还有很多工作要做。必须进行测试，以了解微重力是否以及如何影响打印过程中和打印后的丝材。不过，初步结果看起来很有希望，而地球上由于重力引起的下垂的缺失可能会让工程师以地面上不可能的新方式进行设计。“听起来我们像在谈论《星际迷航》，”Werkheiser承认，“但我们正在把这些变成现实，因为这些是目前正在地面上开发的技术。”
2050年的3D打印
3D打印机成为主流消费技术的最大挑战之一是可及性。3D打印机并非家家都有，使用它需要了解CAD（计算机辅助设计）3D建模软件。然而，到2050年，这种知识可能不再是必需的。
“看看按需媒体和应用程序的兴起，”Bell说。“很明显，人们希望在他们想要的时间以他们能负担得起的价格获得他们喜欢的东西。我不认为每个人都想要独一无二的产品，也不认为每个人都愿意投入时间去亲自设计如此独特的产品。但是，当我们能够按需3D打印我们想要的东西，在需要的时候，以我们想要的质量和成本，那么按需硬件将变得和按需媒体一样普遍。”
Hillan也认为，让这项技术更普及的第一步是，与其教导每个人使用现有软件进行设计，不如创建应用程序，让任何人都能成为设计师。“将有助于克服这一障碍的最大因素是……一个AutoCAD软件，它允许你告诉计算机你想要什么，提供一些维度和特征，让计算机自己生成设计。我认为我们需要朝着这个方向发展——让计算机设计对象。”
无论设计如何找到创客，并非所有需要3D打印的东西都可以用丝材制作。2015年8月，麻省理工学院的计算机科学与人工智能实验室创建了一个3D打印机，该打印机可以同时打印多达十种材料。它还允许将电子元件（如电路和传感器）嵌入到物体中，Werkheiser称这对NASA的火星路线图至关重要。“我们知道，在空间站上，约30%的故障是电子方面的，”她说，“所以我们需要具备这种能力。”
随着增材制造越来越受欢迎，它还将允许更多定制化的产品。阿迪达斯（Adidas）、耐克（Nike）和新百伦（New Balance）都曾尝试过3D打印鞋子或鞋子的部分。阿迪达斯、耐克和新百伦都曾尝试过3D打印鞋子或鞋子的部分。Broer看到了更大的未来潜力，人们可以走进一家鞋店，测量脚部尺寸，然后带走一个完全定制的、完美贴合他们脚部的产品。
不只是鞋子。扳手、家具，甚至超级跑车和枪支已经被3D打印过了。随着消费者和制造商能够接触到更新、更易用的机器，并且能够使用更多材料，创造的可能性是无限的。“随着增材制造技术的进步和材料的改进，”Bell说，“我们将开始看到更多的工程师根据3D打印的优势进行设计——更精密的细节，更快的迭代设计，以及传统制造方法无法实现的内部特征。”
