四維打印技術(shù)概述

邵 文 邢明浩

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190)

四維打印技術(shù)概述

邵 文 邢明浩

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190)

四維打印技術(shù)是在三維打印技術(shù)的基礎(chǔ)上增加一維時(shí)間元素，人們可以通過(guò)軟件設(shè)定模型和時(shí)間，變形材料會(huì)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)折疊為所需的形狀。相對(duì)于三維打印技術(shù)，四維打印技術(shù)更加“智能”，物料可自行組裝，具有經(jīng)濟(jì)、高效、直接的優(yōu)點(diǎn)。文章對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)的相關(guān)名詞、技術(shù)要點(diǎn)以及應(yīng)用前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

四維打印，自變形材料

三維打印技術(shù)方興未艾，四維打印技術(shù)已經(jīng)悄然來(lái)襲。近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院宣布正在研制一種“四維打印技術(shù)”，該技術(shù)能夠?qū)⒖删幊倘S打印材料自動(dòng)組裝成預(yù)定的結(jié)構(gòu)和外型。四維打印不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，還可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至其他行業(yè)。

一 四維打印技術(shù)的概念

2013 年2 月TED(Technology，Entertainment，Design)2013會(huì)議上，美國(guó)麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室主管、TED2012高級(jí)研究員斯凱拉·蒂比茨(Skylark Tibbits)首次公開(kāi)展示了他與美國(guó)全球三維打印巨頭Stratasys 公司合作突破的“四維打印技術(shù)”成果。通過(guò)三維打印機(jī)用特殊墨水打出的“智能材料”，與水接觸時(shí)自動(dòng)折疊成字母“M-I-T”結(jié)構(gòu)。至此，四維打印技術(shù)浮出水面。

四維，是在愛(ài)因斯坦的三維理論上加了時(shí)間的概念，從而時(shí)間與空間相結(jié)合。所謂四維打印技術(shù)就是在三維打印技術(shù)的基礎(chǔ)上增加一種隨時(shí)間或隨環(huán)境參量變化而改變其特性(例如變形或變色)和自我組裝的能力。所以某種意義上說(shuō)，四維打印技術(shù)中的第四個(gè)維度是時(shí)間維度t。需要指出的是，這里的t是廣義上的時(shí)間，它可以表征一切四維打印材料中所隱含的可變參量[1]。采用四維打印技術(shù)時(shí)，使用的材料可以自適應(yīng)、自編程改變形狀，能夠自動(dòng)響應(yīng)所接觸到的水、空氣或者重力、溫度、磁性等變化，從而變成為預(yù)設(shè)的模型?？梢哉f(shuō)，四維打印技術(shù)比三維打印技術(shù)多了一種能力——變形，“這就像是機(jī)器人，只是沒(méi)有了電線和發(fā)動(dòng)機(jī)”。

二 四維打印技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵

傳統(tǒng)意義的造物過(guò)程一般是先模擬后制造，或者一邊建物一邊調(diào)整模擬效果，例如三維打印技術(shù)。三維打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。與三維打印的預(yù)先建模、掃描、使物料成形不同，四維打印技術(shù)簡(jiǎn)化了從“設(shè)計(jì)理念”到“實(shí)物”的造物過(guò)程，直接將設(shè)計(jì)融入到材料當(dāng)中，讓打印出的產(chǎn)品能夠自行變形，無(wú)需連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備[2]。

那么這個(gè)過(guò)程到底是如何實(shí)現(xiàn)的？實(shí)際上，Tibbits所用的四維打印材料是一種復(fù)合物，主要由兩種材料合成：一種是在水中能夠保持固定形態(tài)不變的材料；另外一種是在水中可以延展的高分子聚合物，通常可延伸到自身長(zhǎng)度的兩倍。首先研究人員通過(guò)軟件完成建模，將想要的形狀輸入材料當(dāng)中，再借助三維打印機(jī)，將兩種材料混合打印到一縷繩子中從而形成“智能材料”，這種“智能材料”受到外部能量刺激，產(chǎn)生內(nèi)在的變化。將繩子放入水中浸泡，用不了多久它就可以彎曲變形成預(yù)先設(shè)定的形狀?？梢钥闯鏊木S打印技術(shù)的關(guān)鍵在于自變形材料。

三 四維打印技術(shù)的應(yīng)用展望

在TED2013會(huì)議上，蒂比茨談到了四維打印技術(shù)的應(yīng)用前景。首先，在極限環(huán)境(如宇宙環(huán)境)下，因設(shè)備龐大、復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)大、成本昂貴等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的制造技術(shù)存在難以勝任的問(wèn)題。而四維打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以完成目前制造技術(shù)不能完成的任務(wù)，同時(shí)還能提高性能，增加系統(tǒng)間的聯(lián)系與協(xié)同。在基建領(lǐng)域，可應(yīng)用四維 打印技術(shù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施。例如可以根據(jù)需要制作彎曲、扭動(dòng)、變形而不會(huì)破裂的管道，在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，這些管道甚至可以自我組裝和修復(fù)。還可以利用智能材料進(jìn)行道路橋梁的修建，同樣能夠大幅度節(jié)省城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的人力物力成本。

為了更好地應(yīng)用這種改進(jìn)的四維打印技術(shù)，Tibbits及其負(fù)責(zé)的麻省理工學(xué)院新實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)與一些私人公司合作，將該技術(shù)應(yīng)用于諸如家具制造等領(lǐng)域。未來(lái)涉及的領(lǐng)域可能包括：生物、材料科學(xué)、軟件、機(jī)器人、制作業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、建筑業(yè)、藝術(shù)及太空探索[3]。相信對(duì)于任何使用中的物品，只要你想對(duì)其進(jìn)行改動(dòng)，那就有應(yīng)用四維打印技術(shù)的前景。

四 結(jié) 語(yǔ)

四維打印技術(shù)潛力無(wú)限，從日用消費(fèi)品到生物醫(yī)學(xué)實(shí)踐，從航空航天工業(yè)到體育界。該技術(shù)是三維打印技術(shù)的延伸，它使打印不再是創(chuàng)造的終極，而僅僅是一條路徑，四維打印產(chǎn)品具有經(jīng)濟(jì)、直接、高效的巨大優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上，三維打印機(jī)從構(gòu)想到廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活，前后只用了20年的時(shí)間。有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，四維打印也將成為人類世界不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)。

[1] 鄧甲昊，王萱.4D打印 一項(xiàng)左右未來(lái)世界產(chǎn)業(yè)發(fā)展的革命性技術(shù)突破[J].科技導(dǎo)報(bào)，2013,31(31):11.

[2] 中國(guó)科技網(wǎng).4D打印技術(shù)呼之欲出 自變形材料可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組裝[J].黑龍江科技信息，2013，(29):VI-VIII.

[3] 美國(guó)麻省理工學(xué)院正在研制“4D打印技術(shù)”[J].今日印刷，2013，(7):30.

Overview of 4D Printing Technology

SHAO Wen XING Minghao

4D printing is a technology which adding one-dimensional time element on the basis of 3 D printing. People can set models and time by software, thus modified materials shape in set time. Relative to the 3D printing, 4D printing is more intelligent, because the materials could be assembly by itself, which has the advantages of economic, efficient and direct.

4D printing, modified materials

2014-06-15

邵文(1985—)，女，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心專利實(shí)質(zhì)審查員，主要從事電和磁變量測(cè)量測(cè)試領(lǐng)域的專利審查。通信方式：shaowen@sipo.gov.cn。

N04；TB381；TP2 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1673-8578(2014)04-0054-02