4D打印呼之欲出 自变形材料可实现自动组装

请想象一下，从宜家购买一个椅子家具板，放在房间里，它们会自动组装。汽车涂层可以改变其结构，以适应潮湿的环境或撒有盐的道路，从而更好地保护汽车免受腐蚀。士兵的制服可以更有效地改变伪装或防止接触有毒气体或弹片。

有人想问:它能根据产品设计自动折叠成相应的形状，而不需要连接任何复杂的打印机，这有多神奇？科学家告诉我们，这是悄悄到来的4D印刷技术。那么，它与3D打印有什么不同，它是如何工作的？

什么比3D打印更“酷”

三维打印方兴未艾，而四维打印正在进行中。

今年3月，在洛杉矶举行的“技术、娱乐、设计”(TED)会议上，来自麻省理工学院的研究人员展示了新一代的印刷技术——4D印刷第一次“点亮”了人们的眼睛。

谈到4D的印刷过程，建筑师和计算机科学家斯凯勒·蒂比特解释道:“我们建议将4D物体的第四维度设置为时间，也就是说，使3D印刷物体能够随着时间自动改变和适应。刚性材料形成框架，而其他层是弯曲和扭曲框架的力量源泉。”

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，利用粉末金属或塑料等粘性材料通过逐层打印来构建物体的技术。它仍然符合一般传统的创造过程，先模拟再制造，或在建造时调整模拟效果。但是通过硬件和软件的紧密结合，4D印刷技术颠覆了这种方式。

从事4D印刷技术研究的工程软件开发商欧特克的首席研究科学家卡罗尔·奥贡(Carol Ogun)说:“4D印刷公司在快速建模方面做出了根本性的改变。与3D打印不同，3D打印需要预先建模、扫描，然后形成材料，4D打印直接将设计构建到材料中，简化了从设计概念到物理对象的创建过程。让物体像机器一样自动生成，无需任何复杂的机械和电气设备。”

这表明，就时间纬度而言，4D印刷比3D印刷更像是一种“D”。这项革命性的新技术可以通过软件设定模型和时间，变形的材料可以在设定的时间内快速成型。

自变形材料是实现的关键。

显然，4D印刷更加智能化，材料可以自己“创造”，简化了印刷过程，但它对印刷材料提出了更高的要求，也是其实现的关键。

根据物理学家组织网络的一份报告，来自哈佛大学工程与应用科学学院、斯旺森工程大学和伊利诺伊大学的研究人员正在利用他们在纳米和微米水平上操纵材料的专业知识来生产具有可以通过3D打印随时间在宏观水平上修改的结构的材料。

该团队的项目负责人、斯旺森大学工程学院的化学工程教授安娜·c·巴拉兹解释道:“我们建议开发适应性和仿生复合材料，这种材料可以根据外部刺激的需要调整其形状、性能或功能，而不是建造一种静态或简单改变形状的材料。人们期望通过集成可以印刷出精确的、3D立体的和分层的材料，并且可以集成合成刺激响应成分和预测系统定时行为的能力，从而为4D印刷的新领域奠定基础。”

哈佛大学工程与应用科学学院的生物激励工程教授詹妮弗·a·刘易斯补充道:“当前的3D打印技术允许研究人员在纳米和微米水平上构建复杂的功能。这种多次改变其性能或形状的能力不仅仅建立在特定的一次性使用类别中。复合材料可以在不同的刺激下重新配置，大大扩展了3D打印的覆盖范围。”

伊利诺伊大学合成材料科学与工程学院的教授拉尔夫·g·纽索说，因为这项研究将在刺激性敏感的水凝胶中使用嵌入式响应填料，它为生产下一代智能传感器、涂料、纺织品和结构部件开辟了一条新的途径。这种能力可以创造出一种通过改变颜色来响应光线的织物；改变空气渗透性以响应温度，甚至硬化其结构以扩展外力，这使得创造适应性、柔性、轻质和坚固的响应材料成为可能。正是这个复杂的功能决定了游戏的真正4D印刷规则。

4D印刷技术的潜在应用

在TED展示的4D产品是3D打印的管子。把它放入水中，它会自动组装成一个立方体。原理是物体内部的“智能”材料利用水作为能源，带来形状的变化。从结构上来说，这种自组装4D物体是由几层塑料加上一层“智能”材料制成的，这种材料在吸水时会自动变成理想的形状。

在谈到4D印刷的潜在应用时，提比斯透露，麻省理工学院的自组装实验室正与一家名为地球同步技术的波士顿公司合作，开发创新的基础设施管道制造解决方案。他说:“这种新型地下水管可以*膨胀或收缩，以控制流经它的水的流速和速度，或者它可以像蛇一样通过自身的蠕动来挤压内部水流。水管可以适应不同的容量或水流，并自动膨胀，从而避免了挖掘的麻烦。具有这种不可思议功能的管道并不昂贵，也不需要那些复杂的阀门控制系统，这是管道本身的特性。”

研究人员指出，这项技术的下一个发展阶段包括印刷4D纸，如果可行的话，还包括完整的建筑结构，这将彻底改变传统的工业印刷，甚至是建筑业。

4D印刷目前还不成熟，但研究人员认为，4D印刷不仅能创造出具有智慧和适应性的新事物，还能给生物科学、材料科学、机器人、交通运输、艺术甚至太空探索等领域带来革命性的变化。它的发展前景非常广阔。我们将拭目以待。