四維打印技術概述

邵 文 邢明浩

(國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100190)

四維打印技術概述

邵 文 邢明浩

(國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100190)

四維打印技術是在三維打印技術的基礎上增加一維時間元素，人們可以通過軟件設定模型和時間，變形材料會在設定的時間內折疊為所需的形狀。相對于三維打印技術，四維打印技術更加“智能”，物料可自行組裝，具有經濟、高效、直接的優點。文章對這項新技術的相關名詞、技術要點以及應用前景進行了簡要介紹。

四維打印，自變形材料

三維打印技術方興未艾，四維打印技術已經悄然來襲。近日，美國麻省理工學院宣布正在研制一種“四維打印技術”，該技術能夠將可編程三維打印材料自動組裝成預定的結構和外型。四維打印不但能夠創造出有智慧、有適應能力的新事物，還可以徹底改變傳統的工業打印甚至其他行業。

一 四維打印技術的概念

2013 年2 月TED(Technology，Entertainment，Design)2013會議上，美國麻省理工學院自組裝實驗室主管、TED2012高級研究員斯凱拉·蒂比茨(Skylark Tibbits)首次公開展示了他與美國全球三維打印巨頭Stratasys 公司合作突破的“四維打印技術”成果。通過三維打印機用特殊墨水打出的“智能材料”，與水接觸時自動折疊成字母“M-I-T”結構。至此，四維打印技術浮出水面。

四維，是在愛因斯坦的三維理論上加了時間的概念，從而時間與空間相結合。所謂四維打印技術就是在三維打印技術的基礎上增加一種隨時間或隨環境參量變化而改變其特性(例如變形或變色)和自我組裝的能力。所以某種意義上說，四維打印技術中的第四個維度是時間維度t。需要指出的是，這里的t是廣義上的時間，它可以表征一切四維打印材料中所隱含的可變參量[1]。采用四維打印技術時，使用的材料可以自適應、自編程改變形狀，能夠自動響應所接觸到的水、空氣或者重力、溫度、磁性等變化，從而變成為預設的模型。可以說，四維打印技術比三維打印技術多了一種能力——變形，“這就像是機器人，只是沒有了電線和發動機”。

二 四維打印技術的特點和關鍵

傳統意義的造物過程一般是先模擬后制造，或者一邊建物一邊調整模擬效果，例如三維打印技術。三維打印技術是一種快速成型技術，以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。與三維打印的預先建模、掃描、使物料成形不同，四維打印技術簡化了從“設計理念”到“實物”的造物過程，直接將設計融入到材料當中，讓打印出的產品能夠自行變形，無需連接任何復雜的機電設備[2]。

那么這個過程到底是如何實現的？實際上，Tibbits所用的四維打印材料是一種復合物，主要由兩種材料合成：一種是在水中能夠保持固定形態不變的材料；另外一種是在水中可以延展的高分子聚合物，通常可延伸到自身長度的兩倍。首先研究人員通過軟件完成建模，將想要的形狀輸入材料當中，再借助三維打印機，將兩種材料混合打印到一縷繩子中從而形成“智能材料”，這種“智能材料”受到外部能量刺激，產生內在的變化。將繩子放入水中浸泡，用不了多久它就可以彎曲變形成預先設定的形狀。可以看出四維打印技術的關鍵在于自變形材料。

三 四維打印技術的應用展望

在TED2013會議上，蒂比茨談到了四維打印技術的應用前景。首先，在極限環境(如宇宙環境)下，因設備龐大、復雜、風險大、成本昂貴等特點，傳統的制造技術存在難以勝任的問題。而四維打印的技術優勢可以完成目前制造技術不能完成的任務，同時還能提高性能，增加系統間的聯系與協同。在基建領域，可應用四維 打印技術開發創新基礎設施。例如可以根據需要制作彎曲、扭動、變形而不會破裂的管道，在地質災害頻發的地區，這些管道甚至可以自我組裝和修復。還可以利用智能材料進行道路橋梁的修建，同樣能夠大幅度節省城市基礎設施建設的人力物力成本。

為了更好地應用這種改進的四維打印技術，Tibbits及其負責的麻省理工學院新實驗室已經與一些私人公司合作，將該技術應用于諸如家具制造等領域。未來涉及的領域可能包括：生物、材料科學、軟件、機器人、制作業、運輸業、基礎設施、建筑業、藝術及太空探索[3]。相信對于任何使用中的物品，只要你想對其進行改動，那就有應用四維打印技術的前景。

四 結 語

四維打印技術潛力無限，從日用消費品到生物醫學實踐，從航空航天工業到體育界。該技術是三維打印技術的延伸，它使打印不再是創造的終極，而僅僅是一條路徑，四維打印產品具有經濟、直接、高效的巨大優點。事實上，三維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，四維打印也將成為人類世界不可或缺的一項技術。

[1] 鄧甲昊，王萱.4D打印 一項左右未來世界產業發展的革命性技術突破[J].科技導報，2013,31(31):11.

[2] 中國科技網.4D打印技術呼之欲出 自變形材料可實現自動組裝[J].黑龍江科技信息，2013，(29):VI-VIII.

[3] 美國麻省理工學院正在研制“4D打印技術”[J].今日印刷，2013，(7):30.

Overview of 4D Printing Technology

SHAO Wen XING Minghao

4D printing is a technology which adding one-dimensional time element on the basis of 3 D printing. People can set models and time by software, thus modified materials shape in set time. Relative to the 3D printing, 4D printing is more intelligent, because the materials could be assembly by itself, which has the advantages of economic, efficient and direct.

4D printing, modified materials

2014-06-15

邵文(1985—)，女，國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心專利實質審查員，主要從事電和磁變量測量測試領域的專利審查。通信方式：shaowen@sipo.gov.cn。

N04；TB381；TP2 文獻標示碼：A

1673-8578(2014)04-0054-02