4D打印開啟智能新時(shí)代

方恩印+葛驚寰+李春梅

4D打印的概念及延伸

起初，大家理解的4D打印，是指在平面印刷的基礎(chǔ)上加入動(dòng)感、嗅覺、聽覺等人體感受，人們能夠從中獲得多方位的感受。在這個(gè)概念里的“動(dòng)感”，通常是指采用圖像處理技術(shù)，對(duì)原始圖像進(jìn)行分層、拉伸變形處理，印刷后，用光柵覆蓋，以裸眼或佩戴3D眼鏡的方法實(shí)現(xiàn)，此技術(shù)已發(fā)展得較為成熟；“嗅覺”則是通過分子擴(kuò)散技術(shù)，將特定植物香料與催化劑、抑制劑混合，在印刷前，按比例均勻攪拌到油墨中，印刷完畢后，通過一定時(shí)間的沉香過程，即可使香料融入承印物中，帶給人們不同的味覺體驗(yàn)，香料是直接從植物的花蕊、籽及葉中提取，對(duì)人體無害且無污染；“聽覺”，是通過紐扣電池供電，使得雜志等印刷品在觸碰翻頁的同時(shí)，發(fā)出特定的響聲，無線射頻（RFID）充電技術(shù)與新型紙電池的結(jié)合與應(yīng)用，更有利于有聲報(bào)刊朝著更薄更環(huán)保的方向發(fā)展。4D打印概念的提出，將視覺、聽覺和味覺引入到了傳統(tǒng)的平面媒體中，從形式到內(nèi)容全面改造了傳統(tǒng)紙媒，給讀者更加新鮮的感官體驗(yàn)。

隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)4D打印的概念又有了新的設(shè)想：利用3D打印技術(shù)可直接打印出所需物體，既節(jié)省勞力，又較為精確，那么是否能在打印之初，使用特殊材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓輸出的物體能夠在外在因素改變時(shí)，根據(jù)預(yù)先的設(shè)定改變自身形狀呢？

目前，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）和歐特克（Autodesk）等公司的研究人員正試圖找到一種使3D打印品的形狀根據(jù)環(huán)境自行發(fā)生改變的印刷方法，即在打印的概念中加入了時(shí)間元素，通過對(duì)特殊智能材料進(jìn)行預(yù)編程，使得被打印物體隨著時(shí)間的推移可實(shí)現(xiàn)形態(tài)上的自我調(diào)整與組裝。現(xiàn)今，這一研究已經(jīng)取得初步成效。

將打印好的類似繩索的線狀物體放入水中，在較短的時(shí)間內(nèi)，線狀物體按照事先的“編程代碼”發(fā)生了自主形變，形成了預(yù)想的“MIT”字樣（如圖1-a）；圖1-b顯示了打印好的線狀物體，在水中形變?yōu)?維物體的過程；圖1-c為MIT研究人員創(chuàng)造的一個(gè)平板，其在水中浸泡20分鐘后，自行折疊成為了立方體。

本文所探討的4D打印具有以下特點(diǎn)：①打印輸出后自行組裝；②在特定環(huán)境、刺激物體的誘導(dǎo)下能發(fā)生形變；③具有基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的柔性機(jī)構(gòu)，可通過形變轉(zhuǎn)移外力且可以在兩種穩(wěn)定的形態(tài)中來回切換；④具有形狀記憶功能。

4D打印的構(gòu)成要素

3D打印要預(yù)先建模、掃描，然后用相應(yīng)的材料按照之前的計(jì)劃完全復(fù)制。其輸出的對(duì)象是固定的、靜態(tài)的。如果你想要更復(fù)雜的東西，那么你需要打印多個(gè)零件，然后組裝。

4D打印則是直接將想要的形狀輸入材料，然后打印輸出，在特定的條件下，物體會(huì)“自動(dòng)”出現(xiàn)，后續(xù)不需要任何組裝設(shè)備與人員勞作?？梢钥闯?，對(duì)象前期的形狀“編碼”和材料選擇及輸出缺一不可。因此實(shí)現(xiàn)4D打印必須有三個(gè)要素：幾何預(yù)編程軟件、智能材料及3D多材料打印機(jī)。

1.幾何預(yù)編程軟件

2012年MIT與Autodesk 公司合作開發(fā)出了Project Cyborg設(shè)計(jì)軟件。該軟件是一個(gè)基于云計(jì)算的設(shè)計(jì)平臺(tái)，目前以客戶端的形式，通過網(wǎng)絡(luò)-服務(wù)器-秘鑰的方式提供給客戶使用，可用于從納米級(jí)到米級(jí)范圍的物體設(shè)計(jì)，且同時(shí)提供建模、仿真及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有可模擬物體自組裝和形變關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理等功能。其目的是通過該軟件的設(shè)計(jì)和演示，以虛擬的方式再現(xiàn)設(shè)計(jì)對(duì)象在現(xiàn)實(shí)世界中四維變化的過程。這一應(yīng)用淘汰了先模擬再建設(shè)或建設(shè)之后再調(diào)整模型的傳統(tǒng)方式。配套的硬件與其構(gòu)成的工作流程可以對(duì)仿真過程中最終呈現(xiàn)的物體形態(tài)及所使用材料進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，提供自上而下和自下而上的物理和數(shù)字上的設(shè)計(jì)變革模式。

2.智能材料

所謂智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括外環(huán)境和內(nèi)環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施并進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。其特征如下：①具有感知功能，能夠檢測(cè)并識(shí)別刺激強(qiáng)度，這些刺激包括光、電、應(yīng)力、熱、化學(xué)、應(yīng)變、核輻射等；②能夠響應(yīng)外界變化，具有自驅(qū)動(dòng)功能且反應(yīng)比較靈敏；③能夠按照“預(yù)設(shè)定”方式選擇并控制響應(yīng)，當(dāng)刺激消除后，可迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。智能材料的分類與構(gòu)成如表1所示。

由于上述智能材料價(jià)格昂貴且屬性也被限定，因此4D打印更傾向于使用日常材料，如塑料、金屬和木材等，并將它們以智能的方法進(jìn)行結(jié)合，通過打印機(jī)以不同的厚度和方位來結(jié)合和打印這些材料。由于在設(shè)計(jì)之初，諸如形狀變化、自行組裝所需的能量的多少等信息都以“編碼”的方式包含在材料的屬性中，所以打印出來的物體就可隨環(huán)境變化做出反應(yīng)，用以模仿由制動(dòng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳感器來驅(qū)動(dòng)的機(jī)器組裝設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)新科技來自于麻省理工學(xué)院的自組裝實(shí)驗(yàn)室，Skylar Tibbits和他的團(tuán)隊(duì)正在對(duì)所謂的“可編程的材料”進(jìn)行試驗(yàn)。研究人員用3D打印機(jī)打印出這些物質(zhì)，然后觀察它們?cè)谒木S空間里改變形狀或自動(dòng)重組成新的模式，使得設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品時(shí)，更高程度的自動(dòng)化裝備過程成為可能。

目前，Stratasys公司研發(fā)出了一種動(dòng)態(tài)材料，這種材料是由親水聚合物構(gòu)成，在遇到水的時(shí)候其長(zhǎng)度可擴(kuò)展為原來的1.5倍。打印機(jī)打印剛性聚酯材料的同時(shí)將動(dòng)態(tài)材料置于剛性聚酯材料待變形的連接處，以便為剛性聚酯材料發(fā)生形變時(shí)提供動(dòng)能。而剛性聚酯材料則是4D打印成品結(jié)構(gòu)的主要組成部分，同時(shí)起到限制動(dòng)態(tài)材料形變角度的作用。打印出的初始對(duì)象遇到水后，活性動(dòng)態(tài)材料發(fā)生膨脹變形，迫使剛性聚酯材料彎曲，當(dāng)該剛性聚酯材料觸碰到相鄰部件時(shí)，則強(qiáng)制停止折疊，從而形成最終的穩(wěn)定狀態(tài)。剛性聚酯和活性動(dòng)態(tài)材料的位置和體積、內(nèi)嵌幾何編碼的設(shè)計(jì)與布局使得對(duì)象在內(nèi)部或外在環(huán)境的刺激下直接自組裝為所需要的對(duì)象，無需其他外在人工干預(yù)。圖2顯示出4D打印項(xiàng)鏈的自組裝過程。

3.3D多材料打印機(jī)

3D多材料打印機(jī)不同于多介質(zhì)打印機(jī)，關(guān)鍵區(qū)別在于前者可適用于多種“油墨”，而后者是將固定的“油墨”打印在不同的材質(zhì)上。3D打印機(jī)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印的設(shè)計(jì)過程是：將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)以層疊薄層的方式逐層打印。這里的層疊薄層的方式有多種，常見方式如表2所示。

一般3D打印機(jī)所使用的材料單一，更多依靠于材料的幾何設(shè)計(jì)，不適用于多種類、不同用途智能材料的輸出與打印。PolyJet 3D打印技術(shù)與3D打印機(jī)的有機(jī)結(jié)合可有效解決上述問題。采用PolyJet 3D打印技術(shù)的3D打印機(jī)擁有16個(gè)微米層，精確度高達(dá)0.1mm，適合制造光滑表面、薄壁和復(fù)雜的幾何形狀。是唯一支持從橡膠到堅(jiān)硬材料、從透明到不透明材料等多種材料的技術(shù)，并且通過Objet Connex技術(shù)，甚至可以在同一零件中同時(shí)打印多種材料。

PolyJet 3D打印的工作原理與噴墨打印較為相似，將可固化的智能材料噴射在構(gòu)建托盤上，而非一般的承印物上。其打印過程基本如下：①通過對(duì)“幾何編碼”后的智能材料預(yù)處理，計(jì)算出智能材料和支撐材料的準(zhǔn)確位置。②3D打印機(jī)噴射微細(xì)顆粒智能材料并立即使用紫外線將其固化。薄層聚集在構(gòu)建托盤上，形成精確的3D模型或原型。3D打印機(jī)會(huì)在懸垂部分或形狀復(fù)雜需要支撐處噴射可去除的凝膠狀支撐材料。③用水沖擊或直接用手掰除支撐材料后，3D打印機(jī)生成的模型即可使用，無需后續(xù)固化。Stratasys公司的Objet 3D打印機(jī)是目前世界上唯一可提供多種材料靈活性制造的系統(tǒng)，可以在同一3D打印模型或同一打印作業(yè)中結(jié)合使用多種材料，實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，比如包覆成型、著色、使用不同材料實(shí)現(xiàn)同時(shí)打印等。在打印過程中，可以將兩種材料相結(jié)合以創(chuàng)造具有特殊特性的復(fù)合數(shù)字材料。其中Object Connex系列3D打印機(jī)采用最先進(jìn)PolyJet系統(tǒng)，常見Object Connex系列3D打印機(jī)如圖3所示，其通過同時(shí)噴射多種材料將不同3D打印材料結(jié)合于同一模型，可以選擇性地在一個(gè)打印原型中放置多種材料，甚至將兩種或三種材料相結(jié)合以利用不同的、可預(yù)測(cè)的屬性創(chuàng)造復(fù)合數(shù)字材料。例如，結(jié)合剛性和橡膠類材料模擬多種邵氏A硬度值，混合青色、品紅色和黃色產(chǎn)生多種混合色調(diào)，甚至將橡膠類材料與色彩結(jié)合，創(chuàng)建觀感更接近未來產(chǎn)品的鮮亮柔性原型，創(chuàng)建出色的接近最終產(chǎn)品實(shí)物的精密原型，生成復(fù)雜形狀、繁雜細(xì)節(jié)和平滑表面。通過具有良好通用性的材料將有色的不同材料整合于一個(gè)模型。表3為Object Connex系列常見機(jī)型性能參數(shù)對(duì)照表。

4D打印的應(yīng)用設(shè)想及挑戰(zhàn)

隨著“可編程”打印材料的出現(xiàn)，未來產(chǎn)品的屬性和工藝已經(jīng)發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變。打印后的智能材料以一種全新的裝配方式出現(xiàn)在人們面前，產(chǎn)品將會(huì)根據(jù)使用者的需求（如生物信息、體溫、汗水和內(nèi)部壓力等）做出相應(yīng)的反應(yīng)。同樣，產(chǎn)品的適應(yīng)性會(huì)更加突出，將感知環(huán)境的變化（如水分、溫度、壓力、高度、聲音等），通過周圍環(huán)境的不同能量進(jìn)行自我重新配置、突變和復(fù)制。當(dāng)這些“可編程”產(chǎn)品出現(xiàn)問題時(shí)，物體本身會(huì)進(jìn)行誤差糾正和自我修復(fù)，以滿足新的需求。當(dāng)物體用完，其亦可自行拆卸，人們只需將其回收，還原為基礎(chǔ)材料循環(huán)利用即可。

1.4D打印的應(yīng)用設(shè)想

2D打印技術(shù)是讓信息在一個(gè)平面上得以表現(xiàn)，3D打印技術(shù)則讓打印出來的對(duì)象成為有體積的靜態(tài)立體物件。目前公布的4D打印系統(tǒng)已經(jīng)將4D打印技術(shù)改進(jìn)到實(shí)用性階段，已能制造比沙發(fā)小的物體，使用的智能材料也比過去更簡(jiǎn)單、更小、更廉價(jià)。目前該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是：將4D打印技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施、軍用、倉(cāng)儲(chǔ)物流等方面。

在基礎(chǔ)設(shè)施方面，以管道系統(tǒng)為例，除內(nèi)含昂貴的馬達(dá)和閥門之外，水管有固定的流速，而且這整個(gè)系統(tǒng)都埋在地下，如果環(huán)境發(fā)生變化，以至于需要變動(dòng)水管系統(tǒng)時(shí)，我們需要將他們?nèi)客诔鰜?，再重新建造水管系統(tǒng)。若水管應(yīng)用4D打印技術(shù)，則其可以具有通過擴(kuò)大或縮小來改變?nèi)萘炕蚋淖兞髁康哪芰Γㄈ鐖D4），就可以省去很多麻煩。另外，當(dāng)?shù)叵滤芷茡p時(shí)候，其還能感知環(huán)境變化并進(jìn)行自我修復(fù)（如圖5），可大大減低資源的浪費(fèi)和人力的消耗。

在軍用方面，美國(guó)政府授權(quán)哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)針對(duì)智能對(duì)象自組裝及感知環(huán)境自變形方面進(jìn)行研究與開發(fā)。如可自動(dòng)搭建的避難所和橋梁；可感知外在環(huán)境（沙漠、陸地、沼澤）并進(jìn)行顏色及形狀變化的自適應(yīng)偽裝作戰(zhàn)服，有效保護(hù)士兵安全；可感應(yīng)士兵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和外在環(huán)境變化的作戰(zhàn)靴，在登山防滑靴、雪地保暖靴、運(yùn)動(dòng)防水靴之間實(shí)時(shí)變換。

隨著電商的發(fā)展，在物流行業(yè)， 4D打印出來的自主裝封裝物體可大大減少運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)過程中成品體積所占用的空間，無疑能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。最近美國(guó)麻省理工學(xué)院的設(shè)計(jì)師正構(gòu)思用4D打印技術(shù)制造裙子，它可被壓縮成一團(tuán)，受刺激后就可攤開成合身的長(zhǎng)裙（如圖6）。

2.4D打印面臨的挑戰(zhàn)

然而，4D打印在發(fā)展過程中也遇到了各種問題。首先，響應(yīng)速度較慢，設(shè)計(jì)打印周期較長(zhǎng)。設(shè)計(jì)前期需要對(duì)材料變形的連接處進(jìn)行“預(yù)編程”，然后進(jìn)行建模分層打印，通常來說一個(gè)設(shè)計(jì)打印周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)周。

其次，技術(shù)層次相對(duì)較高。目前人們對(duì)軟件的應(yīng)用更偏好于傻瓜式，而4D打印技術(shù)則要求操作人員具有較高的軟件使用技能，包括設(shè)計(jì)軟件、建模軟件、打印驅(qū)動(dòng)軟件等，而且在設(shè)計(jì)構(gòu)思之初，還需了解產(chǎn)品的相關(guān)屬性，因此4D打印對(duì)工作人員的整體技術(shù)水平要求相對(duì)較高。

再次，耗材的性能決定了4D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前4D打印的耗材除常規(guī)智能材料（如聚酯、粉末顆粒、石膏等）以外，亟待開發(fā)其他新型智能材料以滿足不同的用途，另外耗材在制造精度、強(qiáng)度和質(zhì)感方面需進(jìn)一步提高。

最后，制造成本較高。無論是軟件投入、材料的應(yīng)用，還是硬件購(gòu)買，都決定了4D打印的成本相對(duì)較高，且單個(gè)產(chǎn)品的制造價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械加工價(jià)格。綜上所述，4D打印技術(shù)改變傳統(tǒng)制造加工業(yè)，仍需相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展。

4D打印技術(shù)是新時(shí)期印刷技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑，其將時(shí)間維度與傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)相結(jié)合，通過對(duì)特殊智能材料進(jìn)行預(yù)編程，可隨時(shí)間推移在宏觀等級(jí)上實(shí)現(xiàn)被打印物體在形態(tài)上發(fā)生自我調(diào)整與組裝。其維度的增加不僅可大大降低物體制造后倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸及安裝成本，且徹底顛覆了傳統(tǒng)印刷的理念，這一新技術(shù)的發(fā)明與應(yīng)用勢(shì)必引起印刷與制造行業(yè)的巨大變革。