4D打印，比3D打印更聰明

還記得漫畫《七龍珠》中的“萬能膠囊”嗎？一粒隨身攜帶的小藥丸，只需扔出去，“嘭”的一聲后，瞬間變形成五花八門的現代化工具：摩托車、飛船甚至房屋。這個異想天開的場景或許在不久的未來將成為現實——借助最新的4D打印技術，科學家能給物體添加“時間”的緯度，讓它們變得擁有“智能記憶功能”，在特定條件下自動“變形”為預先設定的形態。

“不用遙控的機器人”

今年年初，在美國加州舉辦的TED（技術、娛樂、設計的英文縮寫）大會上，麻省理工學院自動化實驗室創始人、28歲的建筑設計師、計算機科學家斯凱拉·蒂比斯表演了一個技驚四座的“魔術”。他拿出兩根貌似普通的長繩扔進水中，繩子很快就發生了不可思議的變化：第一根繩子像有生命一般，慢慢地卷曲、變形，然后自動形成了“MIT”（麻省理工學院）的字樣。另一根繩子則似乎在做機械運動，折疊成多個90度直角，最后形成了一個規整的立方體框架。

整個過程完全沒有人工參與，看起來就像是材料擁有了自我意識，在進行自我加工變形。

那么，這個“魔術”究竟是如何做到的？實際上，初看無特別之處的長繩是帶有關節的4D打印復合物，其主要由兩種材料合成。一種材料是高分子聚合物，在水中可以延展到自身原來長度的兩倍；另外一種材料則可以在水中保持固定形態。借助設計軟件和3D打印機，蒂比斯將可延展和不可延展的兩種材料混合打印到一根繩線中，只要將它放入熱水浸泡，用不了多久就可以彎曲變形成預先設定的形狀。

“4D打印本質上其實就是利用復合材料進行的3D打印，通過這種方式增加了一項功能，那就是變形。”蒂v+Wjv57s/DKFoGTcSmrbUF9ndPCg8+fH3Bm59qT4+Ok=比斯說，“這就像是機器人，只是沒有了電線和發動機。”

換句話說，4D打印是在原3D打印技術的基礎上，賦予材料自動變形的能力。研究人員通過軟件完成建模，將想要的性狀輸入材料當中，變形材料就會按照預先的設定完成變形。目前的4D打印需要外部能量來刺激內在的變化，例如TED大會展示的模型就用水來作為觸發條件。

美軍為何熱衷投資4D打印？

距離4D打印技術的首次亮相僅僅半年時間，美國陸軍就宣布，已拿出一筆85.5萬美元的資金用于開發4D打印技術

如果說3D打印技術方興未艾，那么4D打印則實實在在處于概念階段，美國軍方為何就迫不及待地對此進行投資？

“如果你擁有一種能多次改變其屬性和形狀的材料，那么它就能有多種用途。”領頭4D打印研究的哈佛大學教授詹妮弗·劉易斯指出。想象一下，一件用4D打印技術制成的作戰服，它能在不同的環境下變換出不同的迷彩色，甚至可能通過折射光線來讓士兵們隱身，或者一種能根據環境改變屬性的鋼材，它能大大提高坦克的性能。

此外，美國海軍現已開始在軍艦上測試利用3D打印技術制造的彈藥和無人駕駛飛機。但這項技術推廣應用的一大障礙是組裝。打印出3D組件本身并不困難，但要將它們組裝到一起則需要大量人力。而4D打印技術則有望通過特殊的打印技術和材質制造出能自動組裝的部件。

假如宜家家具可以自我組裝

4D打印的理念潛力無限，絕非僅僅適用于軍工領域，從日用消費品到生物醫學實踐，從航空航天工業到體育界，可謂無所不包。

蒂比斯說：“你可以設想隨運動員和環境的改變而改變的服裝和鞋子，輪胎可根據不同路況而變形，消費者就不用為不同路面購買不同型號的輪胎了。”他的終極目標是將這項技術運用到宏觀層面上：利用4D打印技術，降低制造業的能源和勞動力成本。

這一技術的運用，可以讓物體實現在地下管道、深海、太空等難以接觸到的地方進行自我組裝，同樣也能應用到家具、自行車、汽車、甚至建筑物的制造上。

設想4D打印技術應用到地下排水系統，4D打印機可以建造出收縮自如的“智能”排水管道。當颶風來臨時，管道可以變得更大更利于排水，當洪峰過去后，又縮回原來的大小。這些管道還可以根據需要彎曲、扭動、變形，而不會破裂。在地質災害頻發的地區，這種管道甚至可以自我組裝和修復。同樣，道路橋梁的修建如果用到智能材料，都將意味著大幅度節省城市基礎設施建設的人力物力。

業內專家們相信，4D打印技術的問世可能預示著自我組裝家具時代的來臨。美國軟件開發商、參與4D打印技術開發的歐特克公司正在對此進行進一步的研究。該公司首席研究專家卡洛·奧古恩稱：“想象一下這樣的場景，你在宜家買到一把椅子，然后把它放到你的屋子里，最關鍵的是，這把椅子會自我組裝。”

可在人體內“大展拳腳”

4D打印技術不僅能在極端條件下發揮作用，也同樣能在微小的空間下大展拳腳，比如在人體內，它們將成為新型的人體植入材料甚至替代器官。利用其自動改變形狀的特性，4D打印技術在生物醫藥領域的潛力不可限量。

已有生物材料公司參與開發帶有記憶功能的生物心臟支架。醫學領域傳統的心臟支架通常由記憶金屬制成，在通過血管被植入設定的位置后，自動撐開承擔擴張血管通道的使命。但問題在于，金屬支架無法降解，除非人為將支架取出，否則它將永遠留在體內，由此將帶來諸多并發癥和不利影響。

而如果用4D打印技術研制新型的生物心臟支架，它們同樣可變形，首先以極其細微的形態進入體內，當體內條件合適時則展開變形成可以撐開的空心支架。由于并非金屬制成，它還可能具備可降解功能。當涂抹了藥物的支架在預定位置完成擴張和疏通血管的使命后，就在血液中自動降解。

還需克服兩大瓶頸

不過，包括一線研發人員在內的業內人士坦言，當前4D打印還面臨兩大瓶頸，首先是實現4D打印所需的智能材料有待進一步開發。目前4D打印技術使用的材料只能感應水的刺激，但未來希望能找到可以感受光、聲、熱甚至時間的新型智能材料。

第二個問題和3D打印面臨的障礙一樣：打印機的個頭太小，能制造出最大的物體不超過沙發。如果想打印大型工程比如一棟房子，必須使用大型材料，要有高精度且可靠性較高的打印機，但目前來看，這種打印機的造價太高。

事實上，3D打印機從構想到廣泛應用于生產、生活，前后只用了20年的時間。有理由相信，在不遠的將來，4D打印亦將成為人類世界不可或缺的一項技術。