制造變形物的4D打印技術

周末，小先鋒們相邀去書店為自己買些新書。

一進門，小靈通就被門口雜志架上的一本雜志封面給吸引住了，他指著雜志上的圖片對小伙伴說：“你們快看這個圖片。”

“小靈通，你是要我們欣賞圖片中模特的舞姿嗎？”小粗心有些不解地問。

小靈通向他們解釋道：“不是，你們看上面的標題——首件4D打印連衣裙問世。這條裙子是打印出來的！”

小好問說：“4D？跟3D打印有什么不同啊？”

“我也不清楚，雜志里也沒說，咱們還是去找關主吧，他肯定知道。”小靈通提議說。

于是小先鋒們改變了原來的計劃，朝關主家走去。

四維設計

一看到奧秘精靈，小靈通就把此前在雜志上看到的新聞告訴了他。

弄懂了小先鋒們的來意后，奧秘精靈說：“原來你們也看到了那則新聞。我最近正關注這項技術，既然你們有興趣，那咱們就好好探究一番吧。”

小好問著急地問：“奧秘精靈，這4D到底比3D多了哪個D啊？”

“小好問，你別急。在回答你的問題之前，你們先告訴我3D包括哪三個維度，看看之前學的知識你們還記不記得。”

小粗心搶先說：“長、寬、高唄！”

小靈通：“我有復習。3D就是空間的概念也就是由X、Y、Z三個軸組成的空間，是相對于只有長和寬的平面而言。”

小好問：“換句話說，3D就是立體的。”

【關主釋答】

很好，看來大家都有鞏固前面所學的知識。3D是指三個維度、三個坐標，物理上的三維一般指長、寬、高，就是小靈通所說的由X、Y、Z三個軸組成的空間。而你們今天想知道的4D呢，則是在此基礎上再加入了一個維度，即愛因斯坦提出的時間維度。

其實4D這個詞不是最近才有的，現在不是就有4D電影嗎？它是在原有3D立體顯示基礎上由單一空間上的立體顯示進行升級，使觀眾在觀看電影時能夠獲得視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等全方位感受。而所謂4D打印，就是在3D打印的基礎上增加了時間緯度，其本質就是利用復合材料進行3D打印，并使打印出來的物體增加一項功能，那就是變形。正如你們在雜志上所看到的那條連衣裙，就是運用“智能材料”以緊密方式打印并自動展開的裙子。科研人員通過掃描模特的身形，讓裙子的樣式能完美貼合模特的身形，并伴有一系列鑲嵌元素。它通過3 316個連接點把2 279個打印塊連在一起，感覺像是為模特量身定制的一樣。

智能材料

小粗心開玩笑說：“哇，原來4D打印的東西會變形啊，那要是用來打印機器人不就成了名副其實的變形金剛了。”

“哈哈，沒錯。科研人員最初在展示這一技術時，將一種新穎的材料組合用于3D打印機，制造出了一種線狀物體，該物體被放入水中時，會改變形狀組成字母‘MIT。為什么打印出來的線狀物體碰到水就變形了，你們能猜透其中的奧秘嗎？”

小粗心：“哈哈，這些科學家肯定是魔術師裝扮的。”

小好問：“是不是水的溫度比室溫高，所以打印出來的材料遇熱產生了形態變化？”

小靈通：“關鍵在于打印的原材料，我分析它有可能是兩種遇水后會發生不同變化的材料組合而成的。”

【關主釋答】

小粗心，你的想象力還挺豐富的。小好問和小靈通的分析都有一定的合理性和可能性。4D打印材料其核心是記憶合金，它是一種能夠自動變形的材料，人們通過軟件設定模型和時間，變形材料在設定時間內變成所需的形狀。

4D打印技術牽涉到對特殊材料的應用，這些材料在感知到運動狀態、溫度等發生改變，或是暴露于水、空氣、重力場、磁場時會改變自身的形狀，換句話說，4D中的第四維便是指材料的這種“自組裝行為”。

總的來說，4D打印技術有幾項非常關鍵的要素，一個是材料能夠具備“時間”的認知；二是觸發自我組裝的“催化劑”，也就是介質，當然不一定只能是水，根據不同的打印材料，也有可能是光、熱、聲音、震動、氣體，甚至是電子觸發。如果說3D物體是靜態的，需要人工控制，那么4D物體就能自動對環境作出反應——自行組裝、修補或變形。該領域的進步將更多地依賴材料本身，而非打印技術。

前景廣泛

小粗心滿懷期待地說：“要是我家有一臺這樣的打印機就好了。想要什么家具直接打印，放在陽臺給它洗個澡，過一會兒，一個書桌或者一把椅子就自動組裝好并呈現在眼前，完全不需要自己動手組裝。”

小好問接著小粗心的話說：“還可以設計會根據濕度、溫度改變的衣服，做到冬暖夏涼。”

“沒錯，4D打印技術能衍生出許多實際的應用。目前，科學家正在研究如何利用該技術打印出植入人體內的生物相容性器官，例如心臟支架——一種置于心臟內部幫助恢復的管狀醫療器械。不過要真正讓4D打印走進我們的生活，還需要一段時間，而且還有一些問題需要深入研究。你們認為還有哪些問題正困擾著科研人員呢？”

小靈通：“材料！目前會變形的材料種類還太少，我們還需要開發更多類型的打印材料，不僅是遇水產生變形，還可以在其他環境中變化形態。”

小粗心：“我之前看新聞說有人利用3D打印技術制造手槍，4D技術真正普及后，如果被壞人利用后果不堪設想。”

小好問：“我也認為打印材料有待進一步研究，不過我考慮的是材料的使用壽命。特別是放置在人體內的物體，如果其材料的使用壽命太短反而會對人造成傷害。”

【關主釋答】

是的，你們一針見血地提出了諸多令科研人員頭痛的問題。就如小靈通和小好問所想的那樣，4D打印原料仍需要投入大量研究。目前，科研人員開發的4D打印物體雖然可以經受干濕交替，循環使用數次，但材料在折疊與展開數十次之后，就會失去變形的能力。并且他們還想進一步開發能夠對除水以外的其他因素作出反應的材料。

此外，小粗心的擔憂也不無道理，這項技術也有被犯罪分子利用的可能性。

總體來說，4D技術發展前景廣泛，而且也已經在軍事、醫療領域有所貢獻。例如，國外的軍事專家提出可以借助4D打印技術制造開發出輕薄小巧的防彈衣，伸展時能提供全面防護，也便于儲存和攜帶；或是促進大型裝備構件的現場制造利用，借助4D打印技術預先設計大型結構的折疊狀態，以及展開所需的關鍵部位和敏感材料，然后利用3D打印機打印出半成品，通過特殊的物理場控制實現成品的自動展開；還有研究人員計劃借助4D打印的原理，利用DNA鏈造出了對抗癌癥的納米機器人等。未來，4D打印技術將給我們的生活帶來翻天覆地的變化。