4D打印：打印時間

兩年前的TED大會上，計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯凱拉·迪比茨曾展示了一個古怪的視頻：一根奇特材質(zhì)的小棍，扔到水里后，慢慢扭曲變形成麻省理工學(xué)院的縮寫字母“MIT”。

這是迪比茨所在麻省理工學(xué)院項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)做的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，小棍的變形過程看起來就像手法粗糙的魔術(shù)，但在迪比茨看來，實(shí)驗(yàn)背后，是一項(xiàng)能改變世界的技術(shù)——4D打印。

這個名稱和如今火熱的“3D打印”一字之差。事實(shí)上，兩者在“基因”上的確一脈相承，不過4D打印的創(chuàng)新之處，不在于更智能或更人性化，而是能“打印時間”。

聽起來有些不可思議，就像是一個未來的科幻概念，但20多年前，3D打印也同樣被認(rèn)為是一個科幻概念，而如今，它已經(jīng)被大范圍地應(yīng)用于生產(chǎn)生活當(dāng)中。

兩年之后，這個演示已經(jīng)越來越接近現(xiàn)實(shí)。懸念在于，3D打印完成這個過程用了20年，4D打印能否打破這個記錄？

燒瓶中的高科技

2D、3D、4D，看起來像個等差數(shù)列，實(shí)際上是每一級增加了一個D，即打印出來的物體增加了一個維度（dimension）。

大多數(shù)人都接觸過2D打印，即在平面上打印，比如在紙上打印文檔或簡歷，新興的3D打印則是加上了一個立體的維度，可以打印立體的物體，而4D打印增加的維度，就是時間。

這個概念不太容易理解，迪比茨是這樣解釋它的：4D打印的邏輯，是把產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過3D打印機(jī)嵌入可以變形的智能材料中，在特定時間或激活條件下，無須人為干預(yù)，便可按照事先的設(shè)計(jì)進(jìn)行自我組裝。

通俗一點(diǎn)的說法是，4D打印能夠打印出隨時間變化而改變的物體，這里所說的改變，即自我組裝。

在微觀世界，這種自我組裝的技術(shù)并不罕見，比如我們?nèi)祟愖约?，也可以算是蛋白質(zhì)分子按照基因密碼的預(yù)先設(shè)定，組合形成各種細(xì)胞和組織，最后的“4D打印”完成品。

而迪比茨設(shè)想把它搬到宏觀世界來。

最開始，迪比茨用3D打印機(jī)設(shè)計(jì)了一組由嵌入式磁鐵制成的零散部件，將部件扔進(jìn)燒瓶里，用力搖晃，瓶中的部件就像有了生命一樣，自動組裝成了一個病毒的3D模型。

迪比茨認(rèn)為，這個實(shí)驗(yàn)證明了4D打印技術(shù)的可行性。不過問題在于，手工搖晃燒瓶讓部件組裝成型，不僅屬于人為干預(yù)，而且，實(shí)在是太累了。

幾個月后，迪比茨見到了3D打印巨頭Strasys公司負(fù)責(zé)人，他們剛剛發(fā)明了一種可以在水里變形的高分子聚合材料。這給迪比茨的實(shí)驗(yàn)脫離人工干預(yù)帶來了突破。

借助軟件設(shè)計(jì)，迪比茨將這種可延展的材料和其他一些材料混合，打印出了一根細(xì)細(xì)的小棍，正如最開始的那個實(shí)驗(yàn)，將這根小棍放入熱水中后，小棍按照事先設(shè)計(jì)好的組裝方案，變成了“MIT”。

應(yīng)用暢想

2015年1月，在美國CES消費(fèi)電子展上，迪比茨團(tuán)隊(duì)的4D打印再一次成為展會焦點(diǎn)。當(dāng)然，與兩年前不同的是，迪比茨的研究不再停留于一根小棍，而是一條連衣裙。

迪比茨團(tuán)隊(duì)利用模型設(shè)計(jì)軟件設(shè)定的時間和組合樣式，讓2279塊3D打印機(jī)打印出來的三角模塊，在水中慢慢自合變形成了一件鏤空的連衣裙。

作為一名建筑設(shè)計(jì)師，迪比茨的夢想自然也不會止于時裝界在他的暢想中，4D打印技術(shù)應(yīng)該被應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域中。

比如在建筑領(lǐng)域，建造建筑物不再需要建筑工人一磚一瓦堆砌，只要有可行的材料，就能利用4D打印技術(shù)讓建筑材料按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的方案自我組裝成一棟建筑物。

在地下排水系統(tǒng)中，4D打印機(jī)也可以建造出收縮自如的排水管道。當(dāng)暴雨來臨時，管道可以變得更大以利于排水，雨水過去后，管道又能縮回原來的大小。

不僅如此，這些管道還可以根據(jù)需要預(yù)先設(shè)定好彎曲、扭動以及變形的形式，在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，管道甚至可以自我組裝和修復(fù)。

生物醫(yī)療領(lǐng)域同樣能成為4D打印技術(shù)的秀場當(dāng)前的人體植入設(shè)備比如心臟支架，如果采用4D打印技術(shù)制造，將不再需要給病人做開胸手術(shù)，可通過血液循環(huán)系統(tǒng)注射入攜帶設(shè)計(jì)方案的智能材料，到達(dá)心臟指定部位后自我組裝成支架。

當(dāng)然，普通人也可以享受4D打印技術(shù)的便利。

或許，在未來的某一天，你在家居城購買的4D打印家具，不再需要你自己動手組裝，只需要把它放到院子里，澆上一點(diǎn)水，出去喝杯茶，回來家具就已經(jīng)自己組裝完成了。

材料與時間瓶頸

不過，在實(shí)現(xiàn)以上種種暢想之前，4D打印技術(shù)還有不少瓶頸需要突破。

首先是“催化劑”的問題。在迪比茨團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)以及之后一些4D打印技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目中，所有觸發(fā)變形材料變形的“催化劑”，都是水。

而在迪比茨看來，水作為“催化劑”雖然很常見，成本也很低，但4D打印技術(shù)要想進(jìn)一步普及，就必須開發(fā)出更多的“催化劑”，比如聲、光、電、熱，甚至是最初搖晃燒瓶時的震動，這樣4D打印的適用范圍才能足夠大。

這就需要研究人員開發(fā)出種類更豐富的智能材料，不僅能響應(yīng)水的刺激，也能夠響應(yīng)其他的外部刺激。

另一個瓶頸不是來自4D打印，而是3D打印，目前大多數(shù)3D打印機(jī)規(guī)模相對來說都很小，如果要打印一棟大樓，就必須使用大型材料，以及高精度且可靠性較高的大型3D打印機(jī)。

這種3D打印機(jī)并非不能制造出來，但以現(xiàn)在大型3D打印機(jī)動輒數(shù)百萬元的成本，制造適合4D打印的3D打印機(jī)，造價(jià)將非常昂貴，在成本上不可能達(dá)到普及應(yīng)用的水平。

此外，4D打印雖然以打印時間為技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，但時間也是4D打印的一大敵人，迪比茨最初讓小棍變成“MIT”的實(shí)驗(yàn)，花費(fèi)了近1個小時，打印那條鏤空連衣裙則用了48個小時，以此計(jì)算，打印一棟大樓，需要多少小時？

與已經(jīng)開始應(yīng)用的3D打印技術(shù)相比，4D打印技術(shù)仍處于概念階段，諸多技術(shù)瓶頸仍然沒有有效的解決方法，但在科技高速發(fā)展的今天，誰能保證4D打印不會和3D打印一樣，很快從概念變成現(xiàn)實(shí)呢？