4D打印技術及其軍事應用前景

徐可 李曉紅

目前，增材制造技術主要包含3D打印和4D打印等。其中，3D打印可在打印區(qū)域的長度、寬度和高度3個維度成型具有任意復雜形狀的構件，它要求構件的形狀、性能和功能永遠穩(wěn)定。4D打印則在3D打印的基礎上，與自組裝技術相結合引入了時空維度：通過對材料或結構的主動設計，使構件的形狀、性能和功能在時間和空間維度上能實現可控變化，滿足變形、變性和變功能的應用需求。

因此，4D打印技術的本質是3D打印技術與可變形材料、新型設計技術的統一體：借助先進的多材料3D打印工藝，采用可變形材料作為原料，在對材料形變精準預測的基礎上開展動態(tài)設計，使最終產品具備所需特性。這種獨特的能力使4D打印技術有望制造出具備顛覆性功能的產品，從而變革產品制造、裝配、儲存、運輸等環(huán)節(jié)，非常契合國防領域的需求。

4D打印技術與3D打印技術的區(qū)別

3D打印技術是一項誕生于1984年的快速成形技術，通過計算機輔助工具，將三維數字模型逐層堆疊成形。而4D打印技術則更進一步，采用新型材料和先進設計技術，使制造出來的實體形狀、性質能夠可控變化，從而實現特殊功能。

3D打印與4D打印技術的區(qū)別對比

一是打印材料不同。3D打印技術通常采用形態(tài)穩(wěn)定且不易產生較大形變和性變的熱塑性塑料、金屬、陶瓷等材料;而4D打印技術則采用可在特定條件下產生特定形變和性變的可編程材料，從而賦予產品更多的功能。

二是形變和性變能力不同。3D打印技術力求使制造的產品形狀和性能穩(wěn)定，最大程度地降低產品的形變和性變;而4D打印技術則充分利用制造完成后產品產生形變和性變的現象，使產品可以根據環(huán)境條件變化而產生不同的功能。

三是設計方法不同。3D打印采用的是實體靜態(tài)設計，設計人員只需要設計產品的單一形狀和性能即可;而4D打印則要求對產品進行動態(tài)預測，不僅要設計出產品的最終形狀、性能和功能，還要根據材料特性進行材料編程，設計出產品中間的形狀和性能。

4D打印技術發(fā)展歷程

4D打印技術于2013年由麻省理工學院首次進行展示：將采用4D打印技術制作而成的聚合物鏈條置于水中，鏈條自動折疊形成預先設計的形狀。這種鏈條由兩種材料采用增材制造而成，一種在水中膨脹，另一種體積不變。遇水膨脹的部位壓迫其他部位產生形變，形成預定的形狀。此后，4D打印開始逐漸受到不同學科研究人員的關注，在設備、材料、軟件、設計等技術方面開展相關研究。

4D打印技術的誕生可追溯至2007年美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展的“可編程物質”項目研究，該項目旨開發(fā)出一種可在軟件控制或外界刺激的條件下轉變成理想或有用形態(tài)的智能材料，實現根據需求在現場快速制造物資，并使軍事裝備能夠根據指令改變形狀。DARPA設想中的可編程物質是一種智能材料，包含驅動及傳感機制，可以在軟件控制或者外界條件的刺激下變形成為有用的形狀?？删幊涛镔|的設想應用包括三維實體顯示、可變形天線、可重構電子設備以及多功能現場制造設備等。

DARPA計劃從模塊化機器人、新型材料、納米技術、微機電系統等多個領域對可編程材料開展研究，共有包含麻省理工學院在內的5所大學的研究團隊參與該項研究。麻省理工學院研究團隊在此項目支持下開發(fā)出可編程物質執(zhí)行機構，能夠根據溫度的變化展開或折疊，并以此為基礎制造出可自動折疊成飛機或艦船形狀的機器人。

此后，麻省理工學院在DARPA的資助下繼續(xù)開展一系列可編程物質方向的研究，并于2011年建立了自組裝實驗室，最終促成4D打印技術的問世。

4D打印技術的特點

3D打印技術通過各種方式將原材料如同疊“磚塊”一般逐層堆疊成形，具有高設計自由度、無需模具等優(yōu)點。4D打印采用經特殊設計和制備的新型材料，使這些“磚塊”能夠感知外界條件，隨之產生形狀、性能和功能的變化?？梢钥闯?，3D打印用于成形結構或功能構件，而4D打印用于成形智能構件。

可編程物質執(zhí)行機構（左）和自動折疊機器人

4D打印材料根據對不同刺激類型的響應進行分類

因此，4D打印技術具有以下優(yōu)勢。一是特殊產品制造，如方便后勤運輸的自組裝設備、可自我修復的自愈合裝甲、特定情況下自銷毀的高科技設備等;二是進一步提高設計自由度，如果說3D打印幫助設計人員擺脫了可制造性束縛的話，那么4D打印則打破了裝配性的限制，使設計人員不必完全拘泥于裝配制約，設計出傳統裝配方式所無法組裝的高性能產品;三是降低成本，借助該技術，小型增材制造設備可以先制造小體積的中間產品，然后將中間產品變形成為所需的大型中空結構產品，節(jié)省設備成本。此外，借助產品可變形、變性和變功能的特性，該技術還能夠減少裝配、物流和儲存等環(huán)節(jié)的成本。

新型材料的應用是4D打印技術實現的基礎和關鍵。以變形為例，4D打印所使用的材料根據對不同刺激類型的響應，可以分為熱響應材料、光響應材料、電響應材料、濕度響應材料以及磁響應材料等。熱響應材料的變形主要由材料的形狀記憶效應或形狀變化效應驅動;光響應材料以及電響應材料通過吸收光線或電流的能量并將其轉化為熱量導致形變，從而實現材料對光或電的間接響應;濕度響應材料采用具有極高親水性的聚合物材料，通過吸收水分使自身體積膨脹實現變形;磁響應材料是將納米磁性顆粒與其他材料相結合形成，因而能夠對磁場變化作出響應。

4D打印所采用的成型技術目前主要有粘合劑噴射打印、熔融沉積成型、直寫成型、立體光刻成型等，這些成型技術源于3D打印，現已在4D打印領域取得了一定應用。

粘合劑噴射打印是一種非接觸式打印技術，通過噴射細小的粘合劑液滴成型結構，具有成型精度高、生物相容性好的特點，已在活細胞生物打印以及空間可調濾波器的4D打印中得到了應用。

熔融沉積成型技術采用噴嘴將熔融狀態(tài)的熱熔性材料逐層堆積固化成型，具有工藝簡單、成本低的優(yōu)勢，已成功應用于自折疊、自卷曲超材料的4D打印。

直寫成型技術采用高壓噴嘴噴射粘彈性材料使其沉積成型，目前采用紫外光輔助的直寫成型技術應用于可伸縮、自愈合形狀記憶材料的制造。由于彈性體材料具有自愈合的特性，該技術在生物醫(yī)學方面應用前景廣闊。

立體光刻成型技術采用激光逐層將材料聚合成型，具有打印精度高、材料選擇多樣等優(yōu)勢，是目前形狀記憶聚合物最常用的打印方法之一。

4D打印技術發(fā)展態(tài)勢

4D打印作為一項新興技術，目前正處于快速發(fā)展階段，國際上針對4D打印技術的研究主要圍繞4D打印材料的拓展、成型技術的創(chuàng)新、設計工具的開發(fā)等方面開展，并已取得了一定的成果。

4D打印材料種類不斷拓展，功能更加多樣。新型材料是4D打印中的關鍵要素之一，應用于4D打印的材料需要在環(huán)境改變的條件下實現自變形、自組裝、自適應等多種功能。因此，材料的拓展成為4D打印技術的重要研究方向之一。經過數年的發(fā)展，目前4D打印材料的種類已經從水凝膠等聚合物材料擴展至復合材料、有機材料以及陶瓷材料等。

麻省理工學院研發(fā)出的可編程木材可隨溫度和濕度變形

2014年，麻省理工學院的研究人員研發(fā)出了更多種類的4D打印材料，包括木材、碳纖維、紡織復合材料、橡膠，這些材料進一步拓展了4D打印技術的應用范圍。

2018年8月，香港城市大學的研究團隊采用聚合物和陶瓷納米粒子開發(fā)出新型“陶瓷墨水”，并以此打印出柔韌、可拉伸的陶瓷前體，克服了陶瓷前體通常難以變形的限制，最終在熱處理的作用下得到堅固的陶瓷，首次實現陶瓷材料的4D打印以及復雜折疊結構陶瓷的制造。這項新技術具有低成本、機械穩(wěn)定性高、可自主變形等優(yōu)點，有望應用于航空航天推進部件、空間探索設備、電子設備和高溫微機電系統等領域。

4D打印制作出的裝置可通過提升溫度實現抓取功能

4D打印成型技術持續(xù)創(chuàng)新，應用領域多方面發(fā)展。在4D打印技術中，采用合適的方式使打印出的智能材料能夠按照設計預期實現自組裝、自愈合、自變形等功能，也是不可忽視的一個環(huán)節(jié)。新型材料的不斷拓展帶來了更多成型方面的挑戰(zhàn)，而先進的設計技術則需要實現多材料的同步精確打印，因此成型技術的推陳出新成為了4D打印研究中的一個熱門問題。

2016年8月，麻省理工學院使用微立體光刻打印技術，首次實現了微米尺度可變形材料的4D打印，打印出的產品即使受到極端壓力或扭轉彎曲，只要將其置于適宜的溫度下，即可在幾秒鐘內恢復原狀。研究人員采用該技術制造出一種小型夾持裝置，其在常溫狀態(tài)下處于張開狀態(tài)，升溫后轉變?yōu)閵A緊狀態(tài)，借此實現抓取功能。該技術未來有望在航空航天結構件、太陽能電池、生物醫(yī)學設備等領域獲得應用。

2018年6月，美國弗吉尼亞理工大學的研究人員開發(fā)出一種集成樹脂輸送的多材料可編程增材制造技術，該技術具有樹脂現場混合、輸送和轉換功能，并能夠實現自清潔，可以進行微尺度多材料增材制造，并避免了不同材料間的交叉污染。該技術開辟了4D打印向微尺度發(fā)展的道路。

4D打印設計軟件研發(fā)支撐創(chuàng)新產品設計。4D打印技術直接將設計內置到材料中，簡化了從設計理念到實物的制造過程。但是這種制造方式同時也為設計工作帶來了新的挑戰(zhàn)，設計人員需要提前預測材料在不同條件下的反應，并以此為基礎開展設計工作，因此4D打印軟件應運而生。

Cyborg軟件模擬4D打印過程中的實際形變

Autodesk公司開發(fā)出名為Cyborg的設計工具軟件，能夠用于優(yōu)化4D打印設計。該軟件通過相互耦合的軟硬件工具進行模擬，取代了傳統模擬軟件先模擬再構建或者先構建再調整模擬的模式，能夠模擬4D打印過程中的實際形變，并允許使用者創(chuàng)建專用設計平臺進行優(yōu)化設計。

麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室研發(fā)出名為Foundry的軟件，可以幫助設計人員根據設計需要，為3D數字模型的不同部位分配不同材料，從而輕松實現多材料3D打印，為4D打印的設計工作提供了支撐。

4D打印技術軍事應用前景

由于4D打印技術在產品的制造、裝配、儲存、周轉等環(huán)節(jié)具備其他制造技術所難以比擬的優(yōu)勢，并且可以實現許多特殊功能，具備產生新一輪技術變革的潛力，因此得到軍方的持續(xù)支持。經過數年發(fā)展，4D打印技術的應用已經開始在國防軍事和航空航天領域初現端倪，據市場分析機構預測，到2025年，國防和航空航天應用將占到4D打印技術市場份額的50%以上，將成為4D打印技術最大的應用方向。

NASA開發(fā)的“太空織物”

4D打印材料、技術、應用及發(fā)展方向

2013年，美國陸軍研究辦公室資助匹茲堡大學、哈佛大學以及伊利諾伊大學的研究人員研發(fā)4D打印材料，希望通過4D打印材料的突破，促使改變汽車涂料適應潮濕環(huán)境或堿性道路，改變士兵制服的通透性以抵御毒氣或彈片，制造可隨周圍環(huán)境改變顏色的偽裝設備和能實現自組裝的武器。

2017年，美國國家航空航天局（NASA）采用4D打印技術制造出一種“太空織物”，這種織物具備兩種不同的特性：光滑的塊狀金屬表層可以反射陽光，內部結構則能夠有效吸收陽光的熱量，織物中復合材料在溫度的作用下膨脹收縮，使金屬表層展開或關閉，從而使織物具備自適應溫度調控能力。

2018年，美國陸軍士兵納米技術研究所（ISN）采用含有磁性微粒的彈性體復合材料，打印出一種有望在復雜戰(zhàn)場地形以及狹窄空間中靈活爬行、翻滾、跳躍、抓取物體、遞送藥物的柔性機器人;美國陸軍研究工程中心也正在積極開展4D打印技術研究，希望研制出能夠抵御毒氣的制服、可隨周圍環(huán)境改變顏色的偽裝設備以及能實現自組裝功能的武器。

未來，隨著智能材料、智能設計等技術的進一步發(fā)展成熟，4D打印在軍事領域的應用將更加廣泛深入。

基于4D技術有望發(fā)展出能夠快速打印并直接投入使用的高性能無人機或機器人，實現武器裝備的現場制造;有望設計出能夠根據飛行條件自動改變氣動外形的機翼，增強武器裝備的使用性能;有望制造出無需人工組裝且節(jié)省運輸空間的武器裝備，改善武器裝備的后勤保障。最終4D打印技術將變革傳統武器裝備的制造使用流程以及后勤保障模式，使武器裝備發(fā)揮更強的作戰(zhàn)效能。

責任編輯：葛??妍