神奇的4D打印

貓哥

我們都知道3D打印在日常生產(chǎn)生活中被廣泛應用，那么你有聽說過4D打印嗎？可能對于很多人來說，4D打印比較陌生，但它卻是當下很多學者、企業(yè)研究的熱門話題。4D打印產(chǎn)出的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)自變形、自修復、自組裝、自感應、自適應性等多種能力，以往只存在于科幻小說里的情節(jié)正逐漸變成現(xiàn)實。

什么是4D打印？

顯然，4D打印比3D打印多一個“D”。這是什么意思？為什么它會為這項技術(shù)帶來如此多的附加值？3D打印是設計師通過三維軟件建模，使用打印設備直接將模型從底部到頂部逐層打印，直到獲得最終產(chǎn)品的過程。4D打印稱為隨時間變化的3D打印，因此，4D打印便增加了第四個維度一時間。與3D打印產(chǎn)出的靜態(tài)結(jié)構(gòu)不同，4D打印產(chǎn)出的是一個動態(tài)結(jié)構(gòu)，對于4D打印一個較為全面的定義是：一個三維印刷結(jié)構(gòu)被暴露于預定刺激下（如熱、水、光、pH等），其功能、形狀、性能可隨時間發(fā)生變化。因此，與3D打印技術(shù)相比，4D打印最大的突破在于其隨時間變化的能力。

4D打印是如何工作的？

與在三維空間中創(chuàng)建打印的3D打印機不同，實際上沒有所謂的“4D打印機”。取而代之的是，4D打印依賴于使用對刺激有反應的材料以及設計的準確執(zhí)行，它將傳統(tǒng)打印材料升級為刺激響應材料（智能材料）.并根據(jù)目標產(chǎn)品進行材料的結(jié)構(gòu)組臺設計，從而使材料的變化表現(xiàn)為最終產(chǎn)品的形式。簡而言之，就是使用3D打印機，以智能材料為打印原料，對打印的結(jié)構(gòu)進行精準的刺激反應，得到預期的最終產(chǎn)品。材料結(jié)構(gòu)的微觀變化效果如何取決于打印結(jié)構(gòu)的原始角度和尺寸，因此.材料和設計在促成4D打印達到預期效果時部起著至關(guān)重要的作用。

1.打印材料

實現(xiàn)4D打印結(jié)構(gòu)各種自發(fā)性質(zhì)功能的最重要原因是使用智能材料。智能材料結(jié)構(gòu)泛指將傳感元件、驅(qū)動元件以及有關(guān)的信號處理和控制電路集成在材料結(jié)構(gòu)中，通過機、熱、光、化、電、磁等刺激和控制，使其不僅具有承受載荷的能力，而且具有識別、分析、處理及控制等多種功能，能進行自診斷、自適應、自學習、自修復。用于4D打印的智能材料可以分為形狀改變材料（SCM）和形狀記憶材料（SMM）兩類。SCM本身就像一個開關(guān)，在外部刺激的作用下，它伴隨著臨時轉(zhuǎn)換機制。當移除外部刺激時，轉(zhuǎn)換后的實體便回到其原始形狀。相反，SMM會適應觸發(fā)的臨時形狀。除非另一個刺激將變化推回其原始形式。具有形狀記憶特性的材料分為形狀記憶水凝膠（SMH）、形狀記憶陶瓷（SMcrs）、形狀記憶臺金（SMA）、形狀記憶復臺材料（SMC）和形狀記憶聚合物（SMP）等。

2.刺激觸發(fā)機制

外界刺激是用來觸發(fā)4D打印結(jié)構(gòu)發(fā)生形狀、特性、功能變化的外在應力.包括水、熱、光、DH、化學或溶劑、聲音、離子強度、電壓、磁場或其組合。刺激的選擇取決于應用的具體要求。例如，雙層基于水凝膠材料已在4D打印中被廣泛研究，通過結(jié)合活性水凝膠材料和無源聚合物材料來構(gòu)造雙層，雙層的形狀變化是通過活性材料中吸水使兩層的體積相對變化而實現(xiàn)的。這些變化可以由環(huán)境刺激物觸發(fā)，例如溫度、PH、光或濕度。雙層通常從其平面形狀變?yōu)榛⌒?其曲率半徑由兩種鄰接材料的相對剛度、膨脹和厚度決定。這些變量之間的關(guān)系已由Timoshenko描述，并已被證明可以準確預測基于水凝膠的雙層的行為。

3.形狀記憶效應（SME）

4D打印結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換或功能更改的實現(xiàn)取決于撤去刺激后材料的響應，即形狀記憶效應（SME）。SME根據(jù)臨時形狀或中間形狀的穩(wěn)定性，可以是單向、雙向、三向或多向的。主要表現(xiàn)為折疊、彎曲、扭曲、膨脹，收縮、表面卷曲等。4D打印的基本思路都是以平面分層的結(jié)構(gòu)來打印樣本，通過智能材料的形狀記憶效應來驅(qū)動變形。材料經(jīng)過周期交替排列或規(guī)律的結(jié)構(gòu)組合，經(jīng)刺激觸發(fā)實現(xiàn)多樣的形態(tài)變化，從而達到設定的效果或功能。因為不需要支撐材料，在節(jié)約打印時間和杜絕材料浪費方面具有很大的優(yōu)勢，該方法可以廣泛地用于設計具有任意形狀和復雜性的組件并且可以經(jīng)濟地進行打印。

舉一個更加簡單的例子來幫助大家理解4D：想象一下，我們可以通過3D打印直接生產(chǎn)出一個盒子來，但是通過使用4D打印，利用某種刺激機制，這個盒子是否可以自動變平以進行打包？或許我們認為盒子自動展平的過程是多此一舉，但是這樣一個簡單的變化對商業(yè)的影響卻是巨大的，它將大大節(jié)約人力、物力資源，提高了運輸效率和公司收益，而這僅僅是4D打印可能應用的一個小例子。

1.醫(yī)學領(lǐng)域

醫(yī)學和醫(yī)療保健是可能從4D打印中受益最大的行業(yè)之一。已經(jīng)有4D打印的示例用于創(chuàng)建可以適應環(huán)境的生物醫(yī)學夾板。例如，密歇根大學奠特兒童醫(yī)院的醫(yī)生使用4D打印技術(shù)開發(fā)了一種氣道夾板。該夾板是專為重癥監(jiān)護病房新生兒使用的，旨在幫助嬰兒呼吸道成長到足夠堅固。當嬰兒成長時.它會隨著嬰兒的成長而擴張，從而防止嬰兒的呼吸道塌陷。若將4D打印用以制造一種柔軟而靈活的小型可植入設備。這意味著插入和微創(chuàng)的痛苦將減輕，有人設計了具有后向倒刺的生物啟發(fā)式微針陣列的4D打印，可增強組織黏附力，從而使藥物輸送、生物流體收集和生物傳感的性能更加穩(wěn)定和強大。

另一個可能受益的醫(yī)學領(lǐng)域是假肢.因為使用4D打印制成的假肢可以改善患者的舒適度，也可以為仍在成長且需要假肢適應的兒童提供解決方案。展望未來，醫(yī)生和研究人員有可能創(chuàng)造出更加驚喜的發(fā)明。希望4D打印可以為那些需要器官移植的人創(chuàng)建人造器官的前進之路。

2.工業(yè)制造

將4D打印應用在工業(yè)制造的方式令人耳目一新，尤其是當該技術(shù)與機器人技術(shù)、AI技術(shù)相結(jié)合時。例如上文對盒子可以自己展開以打包，然后再折疊以重新使用的舉例。另一種可能性是使用4D打印為機械制造零件，從而簡化生產(chǎn)過程并節(jié)省時間和金錢。根據(jù)Digitalist Magazine的報道，已經(jīng)在進行的相關(guān)研究可能會改變我們現(xiàn)有的生產(chǎn)過程。產(chǎn)品設計師Christopher Guberan正在與MIT合作開發(fā)一款自組裝鞋。他的研究目的是改變復雜且勞動密集型的生產(chǎn)過程。一旦人們對這種技術(shù)有了更深入的了解，并且可以在更廣泛的范圍內(nèi)使用它，就有可能在制造過程的幾乎每個方面都使用4D打印技術(shù)。

3.航空航天

在航空航天領(lǐng)域，4D技術(shù)的應用已經(jīng)取得進展。美國宇航局噴氣推進實驗室的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種柔軟的金屬織物，用于將航天器與隕石隔絕的大型天線。天線還可以捕獲源自其他行星表面的小物體。美國航天局的研究人員認為，他們使用4D打印創(chuàng)建的智能材料還有更多應用。在極端環(huán)境（例如太空）中，3D打印建筑物會涉與成本、效率和能耗有關(guān)的問題，但使用4D打印.利用其材料可變形的特點可以提供很多建造橋梁、庇護所或任何類型的裝置的解決方案，它們可以自行建造甚至在受到天氣損害的情況下自行修復。

4.機器人

機器人技術(shù)和4D打印都是21世紀中備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。很多行業(yè)都計劃將兩種技術(shù)結(jié)臺起來，以充分利用每種技術(shù)所提供的優(yōu)勢。3D打印專家Matt Griffin甚至認為，未來，機器人可能會自己設計、打印、組裝。此外，4D打印可以幫助機器人專家在軟機器人領(lǐng)域取得突破。軟機器人技術(shù)旨在使用與活生物體中相似的順應性材料創(chuàng)建機器人。使用4D打印將幫助工程師創(chuàng)建移動和行為更像生命有機體的組件。Manuel Schaffner等人設計了一種用于硅樹脂軟促動器的打印平臺，可將具有局部可調(diào)剛度的光固化有機硅的多種材料制成具有高可編程運動自由度的軟致動器.從而滿足人類對與安全交互的機器人需求。

5.文藝娛樂

4D打印技術(shù)憑惜其驚人的發(fā)展成果，現(xiàn)在從純工程學和醫(yī)學應用已蔓延到了紡織和時裝行業(yè)。特別是紡織品、珠寶等時尚商品.可以根據(jù)環(huán)境或要求的適應性配置使穿著者感到舒適。另外，當4D打印與文化、教育相結(jié)合便會產(chǎn)生別樣的化學反應。通過4D打印的文創(chuàng)產(chǎn)品，除了實現(xiàn)產(chǎn)品本身的功能外，還能夠增添產(chǎn)品的故事性，起到了輔助學習歷史文化知識的功能。當4D打印與VR、AR等增強現(xiàn)實的技術(shù)相結(jié)合，便會給用戶帶來沉浸式的體驗服務。由此可見.4D打印新技術(shù)在文藝娛樂方面的應用開發(fā)具有廣闊的市場。

目前正在探索的4D打印的潛在應用聽起來可能只是在科幻小說中才有可能，但是智能手機、可穿戴設備、3D打印機和無人機在成為現(xiàn)實之前，也同樣讓人覺得不可思議。與許多其他新興技術(shù)類似，實際應用中的4D打印仍然面臨許多挑戰(zhàn)，這也提醒了我們，4D打印還很年輕，未來的發(fā)展需要大量的努力。