4D打印的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

劉屹環(huán) 朱麗

4D打印使用的是一種能夠自動(dòng)變形的材料，只需特定條件（如溫度、濕度等），不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)折疊成相應(yīng)的形狀?！爸悄懿牧稀笔?D打印的關(guān)鍵。簡(jiǎn)單地說(shuō)，4D打印就是用來(lái)描述合成物進(jìn)行自我改變和適應(yīng)環(huán)境的過(guò)程，在三維的物體上附加的第4個(gè)維度，就是時(shí)間。

一、4D打印技術(shù)問(wèn)世，放在水里“自我組裝”

2013年2月25日，在美國(guó)加州舉辦的TED 2013大會(huì)上，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的建筑師，設(shè)計(jì)師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯凱拉·蒂比茨（Skylar Tibbits）展示了4D打印技術(shù)（圖1）。這項(xiàng)技術(shù)由麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室和3D打印公司stratasys合作開(kāi)發(fā)。而斯凱拉·蒂比茨也被公認(rèn)為是4D打印的發(fā)明者。

蒂比茨展示的4D打印過(guò)程就像是擁有自我意識(shí)的機(jī)器人，科學(xué)家通過(guò)軟件完成建模和設(shè)定時(shí)間后，變形材料會(huì)在指定時(shí)間自動(dòng)變形成所需要的形狀。在他展示的視頻中，一根多串的PVC復(fù)合材料管在水中完成了自動(dòng)變形，如圖2所示。

蒂比茨認(rèn)為，4D打印讓快速建模有了根本性的轉(zhuǎn)變。與3D打印的預(yù)先建模、掃描、然后使用物料成形不同，4D打印直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡(jiǎn)化了從“設(shè)計(jì)理念”到“實(shí)物”的造物過(guò)程。讓物體如機(jī)器般自動(dòng)創(chuàng)造，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備。

二、4D打印技術(shù)經(jīng)典案例

盡管在2013年美國(guó)麻省理工學(xué)院已經(jīng)展示出了一個(gè)關(guān)于4D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，但該技術(shù)當(dāng)時(shí)并未引起太大關(guān)注。一直到2014年10月8日，美國(guó)《外交》雙月刊發(fā)表了一篇名為《準(zhǔn)備迎接4D打印革命》的文章，才讓很多國(guó)家政府層面開(kāi)始關(guān)注4D打印技術(shù)，尤其是以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家，著手在軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域探索4D打印技及其在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2015年，佐治亞理工學(xué)院（GIT）和新加坡技術(shù)大學(xué)也推出了4D打印的研究成果，只需單一種類(lèi)的刺激（比如熱量），就能實(shí)現(xiàn)三維物體的自我折疊。使用智能形狀記憶聚合物（SMPs）制成的4D平面在放入熱水中自動(dòng)變形為一個(gè)自鎖立方體的過(guò)程。

形狀記憶高聚物（SMPs）是一種有名的智能材料。這種材料的特點(diǎn)就是可以在外界作用下變?yōu)槠渌螤?，之后在加熱等條件的刺激下還能變回原始形狀。在上面的過(guò)程中，熱水就是單一的熱源，而立方體的各個(gè)部位則是由對(duì)熱量反應(yīng)不同的SMPs通過(guò)3D打印技術(shù)制成的。所以它們可以按照時(shí)間順序先后運(yùn)動(dòng)，在不發(fā)生相互阻擋的情況下最終自折疊成既定的3D實(shí)體。

這種全新的4D技術(shù)可以用于制造那些需要方便運(yùn)輸?shù)奈矬w。它們最初的形態(tài)可能就如同上面的實(shí)驗(yàn)品一樣是一個(gè)平面，需要使用時(shí)只要施加合適的刺激就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為3D形態(tài)。便攜式庇護(hù)所，支架一類(lèi)的移動(dòng)式醫(yī)療設(shè)備，簡(jiǎn)單的機(jī)械，以及互動(dòng)玩具都可以是它的應(yīng)用項(xiàng)目。

同樣是2015年，耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)卡薩利應(yīng)用化學(xué)中心利用光固化成型（SLA）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了SMPs材料的4D打印。這項(xiàng)成果能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)，而不是特定部位運(yùn)動(dòng)。打印的模型在室溫中如同蠟一樣，通過(guò)熱槍提高其熔融溫度后就能彎曲或重新塑形。如果要固定住改變的形狀，只需將其放入冷水降低熔融溫度即可。之后再次加熱，形狀記憶就會(huì)啟動(dòng)，從而令其恢復(fù)原始形態(tài)。為了將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到柔性電子產(chǎn)品中，就需要將SMPs整合到導(dǎo)電材料中以觸發(fā)移動(dòng)。目前，研究者們已經(jīng)用導(dǎo)電的銀質(zhì)納米墨水打印出了一塊扁平的電路。它能夠在電壓的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)合。研究者表示這樣的技術(shù)能夠運(yùn)用于制造柔性機(jī)器人，微創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備，傳感器以及可穿戴電子產(chǎn)品。

2016年1月，哈佛大學(xué)宣布開(kāi)發(fā)出微觀(guān)4D打印結(jié)構(gòu)，這種新型4D結(jié)構(gòu)使用一種“水凝膠墨水”，該墨水是從一種含有木纖維的特殊水凝膠復(fù)合材料中提煉萃取的。由于使用了專(zhuān)門(mén)的材料預(yù)測(cè)模型，該結(jié)構(gòu)會(huì)在遇水后逐漸膨脹、變硬，直至完全變形為預(yù)編程的形狀。這種在外部刺激下就能自動(dòng)變形為預(yù)設(shè)形態(tài)的能力在智能織物、柔性電子產(chǎn)品、生物醫(yī)療用品和組織工程等方面都有重大的應(yīng)用價(jià)值。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）更是把4D打印提升到新的高度：他們與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室（EDCL）在2017年5月展示了一種全新的4D打印結(jié)構(gòu)（圖3），最后形成的四面體結(jié)構(gòu)可以承受一定質(zhì)量。這些4D打印結(jié)構(gòu)是他們使用一款多材料3D打印機(jī)制造的。其中，白色部分的材料是一種剛性聚合物，黑色部分的材料則是一種彈性聚合物。這種彈性聚合物受熱會(huì)發(fā)生形變，而這正是這些結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵所在。相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，這種新型4D打印結(jié)構(gòu)最大的應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天。不過(guò)，它也可用到其他方面，比如通風(fēng)系統(tǒng)、閥門(mén)開(kāi)關(guān)，以及醫(yī)用支架。

2017年6月，美國(guó)喬治亞理工學(xué)院（GT）展示了一種全新的4D打印結(jié)構(gòu)（圖4），使用了4D打印的常用材料——一種形狀記憶聚合物。此材料可以被編程，所以研究人員才能控制由它制成的支柱按順序展開(kāi)。與其他4D打印結(jié)構(gòu)相比，他們的結(jié)構(gòu)有個(gè)很大的不同，就是本身的類(lèi)型并非普通結(jié)構(gòu)，而是張拉整體式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由美國(guó)著名建筑師富勒提出，特點(diǎn)是質(zhì)輕卻強(qiáng)韌，以及能最大限度利用材料和截面的特性，從而使用盡量少的材料造出超大跨度建筑。

這種4D打印結(jié)構(gòu)可以用于太空建設(shè)。具體來(lái)說(shuō)就是讓尺寸較大的航天器結(jié)構(gòu)（比如天線(xiàn)）可以先被壓縮，進(jìn)入太空后再借助熱刺激（比如陽(yáng)光）展開(kāi)。這樣一來(lái)，將它們發(fā)射上天就會(huì)容易許多。

三、4D打印的應(yīng)用前景

4D打印是在3D打印基礎(chǔ)上的改進(jìn)和完善，具有巨大的應(yīng)用前景。從4D打印相關(guān)的研究成果來(lái)看，其比較有應(yīng)用前景的領(lǐng)域分為3類(lèi)：軍事、生物醫(yī)療和文創(chuàng)領(lǐng)域。

1.軍事

4D打印的智能材料能夠感知外界的變化，從而實(shí)現(xiàn)與周?chē)h(huán)境相適應(yīng)的效果。美國(guó)陸軍部已投入大量資金研發(fā)“自適應(yīng)偽裝作戰(zhàn)服”，主要是從3個(gè)方面進(jìn)行研發(fā)，分別是隱身功能、防彈功能和自適應(yīng)功能。隱身功能能夠使作戰(zhàn)服在不同的環(huán)境下變化顏色，從而實(shí)現(xiàn)偽裝效果；防彈功能能夠根據(jù)外力的大小調(diào)節(jié)軟硬度，保護(hù)士兵的人身安全；自適應(yīng)功能能夠使得服裝根據(jù)外界溫度的變化調(diào)節(jié)其特性，比如厚度、透氣性等，使得穿著更加舒適。

4D打印同樣能夠應(yīng)用于大型軍用裝備上。在打印的過(guò)程中，大型裝備件呈壓縮或折疊裝，運(yùn)輸?shù)侥康牡睾竽苷归_(kāi)成完全體。這樣能夠大大減少打印件的部件數(shù)量，降低成本。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，利用3D打印技術(shù)制造的大型軍用裝備已經(jīng)獲得了突破，但是運(yùn)輸?shù)侥康牡睾笕匀恍枰ㄙM(fèi)人力和物力進(jìn)行組裝。而利用4D打印技術(shù)制造的部件免去了人工組裝步驟，能夠自動(dòng)組裝為成品。

2.生物醫(yī)療

生物醫(yī)療將是4D打印大顯身手的主戰(zhàn)場(chǎng)。因?yàn)榘殡S著納米技術(shù)與數(shù)字化智能技術(shù)研發(fā)的深入，4D打印將能夠進(jìn)入人體內(nèi)非常細(xì)微的空間進(jìn)行工作。心臟支架就是4D打印的一種，可通過(guò)血液循環(huán)系統(tǒng)注射入4D打印的智能材料，其到達(dá)心臟指定部位后自我組裝成支架。這樣就不再需要給病人做開(kāi)胸手術(shù)，減少了病人的痛苦。

加拿大Alberta大學(xué)的Ingenuity實(shí)驗(yàn)室于2017年12月宣布利用3D打印技術(shù)制造出了一種葉子形狀的全新4D打印結(jié)構(gòu)（圖5），由天然蛋白質(zhì)和水凝膠材料組成。這片4D打印的葉子能對(duì)不同的環(huán)境和材料做出物理反應(yīng)，是用一種由銀納米顆粒、碳納米管和蛋白質(zhì)膜混合而成的特殊樹(shù)脂打印的。當(dāng)浸入水中并暴露在紫外光下時(shí)，這種材料就會(huì)與水反應(yīng)，將水分子分解產(chǎn)生氫氣。研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)研究最終能夠?qū)崿F(xiàn)3D打印真正可植入的人體器官。換言之，4D打印的水凝膠葉片標(biāo)志著3D生物打印的器官發(fā)展的重要成就。

4D打印同樣可用于癌癥治療。牛津大學(xué)圣安東尼學(xué)院榮譽(yù)學(xué)者納伊夫·魯贊曾聲稱(chēng)，借助4D打印技術(shù)，研究人員能夠利用DNA鏈制造出對(duì)抗癌癥的納米機(jī)器人。如果能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度下的操作，4D打印將在醫(yī)療領(lǐng)域做出巨大的成就。

3.文創(chuàng)

4D打印技術(shù)的發(fā)明人蒂比茨領(lǐng)頭研發(fā)了一種可以主動(dòng)變形的鞋子，這種鞋子采用的是一種半透明、質(zhì)輕、高度可塑的材料，可給予鞋子極致的美感。制作這種變形鞋的材料名叫“主動(dòng)織物”，是通過(guò)以不同的層厚和在拉伸的織物上進(jìn)行模式編程使用3D打印塑料制成的。一旦擺脫力的束縛，這種織物就會(huì)“跳起來(lái)”或發(fā)生重構(gòu)，然后變形為預(yù)編程的形狀。因此，這種4D打印鞋可以根據(jù)人類(lèi)的腳進(jìn)行重構(gòu)（圖6），自動(dòng)精確契合人的腳型。

美國(guó)設(shè)計(jì)公司Nervous System在2015年展示了一種利用4D打印技術(shù)制作的連衣裙Kinematics Dress（圖7）。連衣裙是由3 316個(gè)鉸鏈連接的2 279個(gè)獨(dú)特的三角形面板組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，三角形與連接點(diǎn)之間的拉力，可隨人體形態(tài)變化，即使變胖或變瘦，連衣裙也不會(huì)不合身。

通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件，連衣裙的數(shù)字化模型被折疊成一個(gè)更小的形狀，然后打印出來(lái)的是壓縮的形態(tài)。當(dāng)人們把裙子從打印機(jī)上拿下來(lái)后，它就會(huì)自動(dòng)恢復(fù)預(yù)設(shè)的形狀。4D打印的優(yōu)點(diǎn)，一方面是能將形狀擠壓成它們最小的布局并利用3D打印技術(shù)制造出來(lái)，這樣能夠最大化利用打印空間；另外一方面是其打印的物體可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行自我變化，這些是傳統(tǒng)制造和3D打印技術(shù)無(wú)法比擬的。

4D打印在時(shí)裝領(lǐng)域的應(yīng)用將改變當(dāng)前服裝的格局，比如未來(lái)的時(shí)裝店將不再展示時(shí)裝，也不再需要庫(kù)存，而是一臺(tái)人體3D掃描儀加一臺(tái)3D打印機(jī)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的風(fēng)格與偏好從計(jì)算機(jī)中選擇相應(yīng)的模板，系統(tǒng)將自動(dòng)設(shè)計(jì)并生成相應(yīng)款式的時(shí)裝。

四、結(jié)語(yǔ)

3D打印方興未艾，4D打印也受到了社會(huì)各界的關(guān)注。盡管目前的4D打印技術(shù)大多都處于早期研發(fā)階段，但卻已展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值。限制4D打印發(fā)展的瓶頸主要是智能材料缺少，打印機(jī)規(guī)模小等問(wèn)題，但是從3D打印技術(shù)30年的發(fā)展歷程來(lái)看，完全有理由相信這些技術(shù)難點(diǎn)將被攻破，4D打印技術(shù)將成為一種全新的智能制造方式。