神奇的4D打印

猫哥

我们都知道3D打印在日常生产生活中被广泛应用，那么你有听说过4D打印吗？可能对于很多人来说，4D打印比较陌生，但它却是当下很多学者、企业研究的热门话题。4D打印产出的结构可以实现自变形、自修复、自组装、自感应、自适应性等多种能力，以往只存在于科幻小说里的情节正逐渐变成现实。

什么是4D打印？

显然，4D打印比3D打印多一个“D”。这是什么意思？为什么它会为这项技术带来如此多的附加值？3D打印是设计师通过三维软件建模，使用打印设备直接将模型从底部到顶部逐层打印，直到获得最终产品的过程。4D打印称为随时间变化的3D打印，因此，4D打印便增加了第四个维度一时间。与3D打印产出的静态结构不同，4D打印产出的是一个动态结构，对于4D打印一个较为全面的定义是：一个三维印刷结构被暴露于预定刺激下（如热、水、光、pH等），其功能、形状、性能可随时间发生变化。因此，与3D打印技术相比，4D打印最大的突破在于其随时间变化的能力。

4D打印是如何工作的？

与在三维空间中创建打印的3D打印机不同，实际上没有所谓的“4D打印机”。取而代之的是，4D打印依赖于使用对刺激有反应的材料以及设计的准确执行，它将传统打印材料升级为刺激响应材料（智能材料）.并根据目标产品进行材料的结构组台设计，从而使材料的变化表现为最终产品的形式。简而言之，就是使用3D打印机，以智能材料为打印原料，对打印的结构进行精准的刺激反应，得到预期的最终产品。材料结构的微观变化效果如何取决于打印结构的原始角度和尺寸，因此.材料和设计在促成4D打印达到预期效果时部起着至关重要的作用。

1.打印材料

实现4D打印结构各种自发性质功能的最重要原因是使用智能材料。智能材料结构泛指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等刺激和控制，使其不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复。用于4D打印的智能材料可以分为形状改变材料（SCM）和形状记忆材料（SMM）两类。SCM本身就像一个开关，在外部刺激的作用下，它伴随着临时转换机制。当移除外部刺激时，转换后的实体便回到其原始形状。相反，SMM会适应触发的临时形状。除非另一个刺激将变化推回其原始形式。具有形状记忆特性的材料分为形状记忆水凝胶（SMH）、形状记忆陶瓷（SMcrs）、形状记忆台金（SMA）、形状记忆复台材料（SMC）和形状记忆聚合物（SMP）等。

2.刺激触发机制

外界刺激是用来触发4D打印结构发生形状、特性、功能变化的外在应力.包括水、热、光、DH、化学或溶剂、声音、离子强度、电压、磁场或其组合。刺激的选择取决于应用的具体要求。例如，双层基于水凝胶材料已在4D打印中被广泛研究，通过结合活性水凝胶材料和无源聚合物材料来构造双层，双层的形状变化是通过活性材料中吸水使两层的体积相对变化而实现的。这些变化可以由环境刺激物触发，例如温度、PH、光或湿度。双层通常从其平面形状变为弧形.其曲率半径由两种邻接材料的相对刚度、膨胀和厚度决定。这些变量之间的关系已由Timoshenko描述，并已被证明可以准确预测基于水凝胶的双层的行为。

3.形状记忆效应（SME）

4D打印结构转换或功能更改的实现取决于撤去刺激后材料的响应，即形状记忆效应（SME）。SME根据临时形状或中间形状的稳定性，可以是单向、双向、三向或多向的。主要表现为折叠、弯曲、扭曲、膨胀，收缩、表面卷曲等。4D打印的基本思路都是以平面分层的结构来打印样本，通过智能材料的形状记忆效应来驱动变形。材料经过周期交替排列或规律的结构组合，经刺激触发实现多样的形态变化，从而达到设定的效果或功能。因為不需要支撑材料，在节约打印时间和杜绝材料浪费方面具有很大的优势，该方法可以广泛地用于设计具有任意形状和复杂性的组件并且可以经济地进行打印。

举一个更加简单的例子来帮助大家理解4D：想象一下，我们可以通过3D打印直接生产出一个盒子来，但是通过使用4D打印，利用某种刺激机制，这个盒子是否可以自动变平以进行打包？或许我们认为盒子自动展平的过程是多此一举，但是这样一个简单的变化对商业的影响却是巨大的，它将大大节约人力、物力资源，提高了运输效率和公司收益，而这仅仅是4D打印可能应用的一个小例子。

1.医学领域

医学和医疗保健是可能从4D打印中受益最大的行业之一。已经有4D打印的示例用于创建可以适应环境的生物医学夹板。例如，密歇根大学奠特儿童医院的医生使用4D打印技术开发了一种气道夹板。该夹板是专为重症监护病房新生儿使用的，旨在帮助婴儿呼吸道成长到足够坚固。当婴儿成长时.它会随着婴儿的成长而扩张，从而防止婴儿的呼吸道塌陷。若将4D打印用以制造一种柔软而灵活的小型可植入设备。这意味着插入和微创的痛苦将减轻，有人设计了具有后向倒刺的生物启发式微针阵列的4D打印，可增强组织黏附力，从而使药物输送、生物流体收集和生物传感的性能更加稳定和强大。

另一个可能受益的医学领域是假肢.因为使用4D打印制成的假肢可以改善患者的舒适度，也可以为仍在成长且需要假肢适应的儿童提供解决方案。展望未来，医生和研究人员有可能创造出更加惊喜的发明。希望4D打印可以为那些需要器官移植的人创建人造器官的前进之路。

2.工业制造

将4D打印应用在工业制造的方式令人耳目一新，尤其是当该技术与机器人技术、AI技术相结合时。例如上文对盒子可以自己展开以打包，然后再折叠以重新使用的举例。另一种可能性是使用4D打印为机械制造零件，从而简化生产过程并节省时间和金钱。根据Digitalist Magazine的报道，已经在进行的相关研究可能会改变我们现有的生产过程。产品设计师Christopher Guberan正在与MIT合作开发一款自组装鞋。他的研究目的是改变复杂且劳动密集型的生产过程。一旦人们对这种技术有了更深入的了解，并且可以在更广泛的范围内使用它，就有可能在制造过程的几乎每个方面都使用4D打印技术。

3.航空航天

在航空航天领域，4D技术的应用已经取得进展。美国宇航局喷气推进实验室的研究人员已经开发出一种柔软的金属织物，用于将航天器与陨石隔绝的大型天线。天线还可以捕获源自其他行星表面的小物体。美国航天局的研究人员认为，他们使用4D打印创建的智能材料还有更多应用。在极端环境（例如太空）中，3D打印建筑物会涉与成本、效率和能耗有关的问题，但使用4D打印.利用其材料可变形的特点可以提供很多建造桥梁、庇护所或任何类型的装置的解决方案，它们可以自行建造甚至在受到天气损害的情况下自行修复。

4.机器人

机器人技术和4D打印都是21世纪中备受关注的研究领域。很多行业都计划将两种技术结台起来，以充分利用每种技术所提供的优势。3D打印专家Matt Griffin甚至认为，未来，机器人可能会自己设计、打印、组装。此外，4D打印可以帮助机器人专家在软机器人领域取得突破。软机器人技术旨在使用与活生物体中相似的顺应性材料创建机器人。使用4D打印将帮助工程师创建移动和行为更像生命有机体的组件。Manuel Schaffner等人设计了一种用于硅树脂软促动器的打印平台，可将具有局部可调刚度的光固化有机硅的多种材料制成具有高可编程运动自由度的软致动器.从而满足人类对与安全交互的机器人需求。

5.文艺娱乐

4D打印技术凭惜其惊人的发展成果，现在从纯工程学和医学应用已蔓延到了纺织和时装行业。特别是纺织品、珠宝等时尚商品.可以根据环境或要求的适应性配置使穿着者感到舒适。另外，当4D打印与文化、教育相结合便会产生别样的化学反应。通过4D打印的文创产品，除了实现产品本身的功能外，还能够增添产品的故事性，起到了辅助学习历史文化知识的功能。当4D打印与VR、AR等增强现实的技术相结合，便会给用户带来沉浸式的体验服务。由此可见.4D打印新技术在文艺娱乐方面的应用开发具有广阔的市场。

目前正在探索的4D打印的潜在应用听起来可能只是在科幻小说中才有可能，但是智能手机、可穿戴设备、3D打印机和无人机在成为现实之前，也同样让人觉得不可思议。与许多其他新兴技术类似，实际应用中的4D打印仍然面临许多挑战，这也提醒了我们，4D打印还很年轻，未来的发展需要大量的努力。