3D打印方興未艾 4D打印向您走來

劉國信

3D打印發力多個領域

最近，3D打印領域的知名專家史蒂夫·海勒（Steve Heller）對全球3D打印的熱點領域進行了分析，他認為今后一段時間，3D打印將在原型、醫療保健、航空航天、直接制造業以及藝術創作等領域繼續發力。

3D打印的原型應用一直在歐洲模具展上有龐大的展覽陣容。基本上，當企業把3D打印技術作為一種快速成型應用運用在原型開發上，會使產品推向市場的速度更快。這一趨勢肯定會繼續下去，同時將會有新的3D打印材料的應用，從而擴大3D打印的應用領域。

如在醫療保健相關領域，僅齒科方面使用德國EOS公司的3D打印設備已經打印了上千萬的牙冠和牙橋。也就是說，如今世界上至少有1000萬人嘴巴里的牙冠和牙橋是3D打印的。在歐洲模具展上，還看到了3D打印髖關節植入物，你可以根據患者的實際情況直接打印出最終的植入物，不需要模具以及其他工具，就可以為患者提供個性化的一次性治療解決方案。隨著3D打印應用的普及以及越來越多的藝術設計人員投入其中，3D打印在人像玩偶方面的應用也越來越成熟，打印出來的人像也開始從形似邁向神似，越來越生動傳神。航空航天與醫療保健是3D打印領域的兩大增長動力。目前航空航天領域主要使用的是金屬3D打印技術，尤其是直接金屬激光打印應用。隨著航空航天領域需求的不斷增加，必將會持續推進金屬3D打印技術水平的進一步提升。

顏色也會是3D打印的一大焦點。最近3DSystems、Stratasys均有功能強大的彩色3D打印技術問世，此外還有McorTechnologies公司提供的彩色3D紙打印技術。可以預見，未來的企業將會更多地需要全彩色的產品原型，而不是單調的灰度原型。如果技術成本能夠進一步降低，這也是一個發展趨勢。

另外，在直接制造業方面，更有前途遠大的發展前景。隨著3D打印技術的發展，未來會越來越多地出現直接打印最終產品的3D打印機，這是該行業成熟的標志之一，很多企業正在向這個方向努力。

4D打印漸行漸近

繼承3D打印而來的4D打印，雖然剛剛起步，但或許用不了多久，利用4D打印技術，科幻電影中的場景就會逼真地發生在我們身邊：一根拐杖在下雨的時候就變成了雨傘；房屋建筑可以自動“長”出屋頂、承重墻……能夠讓打印物“活”過來的4D打印技術，有望在不久的將來改變我們的生活。

最近，由美國“神經系統”設計工作室打造的全球首件4D打印連衣裙問世。這件衣服最大的特點在于可以自動適應環境，即便在運動中也會時刻貼合穿戴者的身體。這便是4D打印的神奇所在。關于4D打印我們需要一些基本的了解，人們最為熟知的是2D打印，在平面上打印個文件、圖紙、照片之類，是X、Y構成的維度。而到了3D打印，通俗的理解就是在X、Y維度的基礎上增加一個Z的維度，構成了三維立體。但到了4D打印，所增加的維度不僅是X、Y、Z所構成的立體維度，而是在這些維度之外再增加時間維度。簡單理解，所謂4D打印就是在一個立體維度的基礎上，再增加一個維度，那就是時間。2D、3D、4D，看起來像一個等差數列，實際上就是每一級增加了一個D，即打印出來的物體增加了一個維度。如果說2D是X、Y，3D是X、Y、Z，那么4D就是在X、Y、Z基礎上增加了T。這就意味著4D打印融入了時間，可以打印出隨時間變化而改變的物體，這種改變我們可以理解為自我組裝。

在兩年前的美國TED大會上，計算機科學家斯凱拉·迪比茨首次通過視頻向外界展示了魔術般的4D打印技術——一根奇特材質的小棍扔到水里后，慢慢扭曲變形成麻省理工學院的縮寫字母“MIT”。斯凱拉·迪比茨稱，這一新技術的靈感來自于生物的自我復制。看似很玄妙的4D打印技術其實并不神秘，按照專家的解釋，4D打印就是3D打印技術與智能材料性能的結合，即智能材料結構在3D打印的基礎上，通過外界環境刺激，隨著時間實現自身結構變化。

有專家表示，4D打印領域的進步將更多地依賴材料本身，而非打印技術。另外，并不是說任意材料都可以被“激活”，而是需要具有模仿生物體的自增值性、自修復性、自診斷性和環境適應性等的智能材料才行。據專家介紹，4D打印所需要的智能材料一般包括電活性聚合物、形狀記憶材料、壓電材料、電磁流變體、磁致伸縮材料等。4D打印除了對打印材料要求較高外，還需要具備另一項非常關鍵的因素，即要有觸發自我組裝的“催化劑”。這一“催化劑”不一定是水，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。也就是說，通過軟件設定好模型和時間后，在特定環境下，無須人為干預，無須通電，4D打印物便可按照事先的設計，在規定的時間內進行自我組裝。

借助4D打印技術制造出的智能結構，可以發生由一維或二維結構向三維結構的變化，或者由一種三維結構變形成另一種三維結構。這種結構的隨意變化也給4D打印技術的應用帶來無窮的暢想，而生物醫療領域最有可能成為該炫技的主秀場。麻省理工學院數學家丹雷維夫曾表示，4D打印有利于新型醫療植入物的發明。比如心臟支架，如果采用4D打印技術制造，將不再需要給病人做開胸手術，可通過血液循環系統注入攜帶設計方案的智能材料，到達心臟指定部位后自我組裝成支架。如今，深圳光華偉業實業有限公司就正在與合作伙伴共同開發帶有記憶功能的生物心臟支架。該公司董事長楊義滸表示，他們將對帶有記憶功能的材料進行精確控制，使之在一定的外部條件（比如溫度、壓力）下，恢復預設的形態。

此外，多自由度操作臂也是微創技術未來發展的研究難點。有關專家表示，他們正在自主研發智能材料，并通過4D打印技術應用于多自由度操作臂的制造研究中。未來，手術操作臂可以像蛇一樣，通過食道、肛門等人的自然腔道進入人體，并在體內任意更改方向。另外，牛津大學圣安東尼學院榮譽學者納伊夫·魯贊曾在美國《外交》雙月刊網站發文稱，借助4D打印的原理，研究人員還能夠利用DNA鏈制造出對抗癌癥的納米機器人。

4D打印從概念到現實尚有諸多瓶頸

專家認為，目前4D打印技術還處于概念階段，并且在未來較長的一段時間內也主要停留在試驗研究階段。在實現種種暢想之前，仍有許多瓶頸需要突破。

業內人士表示，目前4D打印技術主要有3個短板：一是打印機的規模太小，且缺少高精度、可靠性較高的打印機；二是所需特殊智能材料的貧乏；三是人才儲備短缺。與此同時，加工工藝、材料設計、裝備制造等技術水平也都是制約4D打印技術發展的主要障礙。

在3D打印的世界里，當我們需要打印大型工程項目時，必須使用大型機器才能制造出所需的大型材料。比如建筑、管道等物品的打印，都對打印機提出了較高的要求，這也讓3D打印技術的推廣與普及遇到了現實的屏障。面對3D打印的前車之鑒，4D打印走出了另外一條道路，那就是依賴“智慧”材料讓打印物在打印完成之后具有自變形的能力，這在很大程度上緩解了打印機對技術發展的掣肘情況。但是，“智慧”打印也就意味著對打印設備提出了更高的技術要求，而由此導致設備價格昂貴的問題將在所難免。

專家指出，除了設備本身的制約之外，4D打印所面臨的比3D打印更為嚴峻的問題，便是對特殊性打印材料的需求，因為相比3D打印而言，4D打印對所需材料的要求更高。第一，4D打印所需要的并非一般的普通材料，而是能感知外部刺激、帶有記憶功能的智能材料；第二，該材料不僅具備3D打印材料的那種可打印性，還要具有傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自我變形能力、自我組裝能力、自我診斷能力、自我修復能力和超強適應能力。由于智能材料制造工藝復雜，傳統制造方法只能制造簡單形狀的智能材料，難以制造復雜形狀的材料結構，因而嚴重限制了智能材料結構的發展與應用。而4D打印主要取決于智能材料的發展，未來應研究發展多種適用于4D打印技術的智能材料。

4D打印之所以能夠通過介質觸發，從而在特定的時間下進行自我變形、自我組裝，除了材料本身與打印技術之外，另外一個關鍵就是軟件的設計，也就是通過程序軟件，將變形要素直接設計在打印材料中。簡單卻并不十分精確地理解，那就是3D是設計產品，4D是將打印機設計在模型中。所以，設計軟件對于4D打印至關重要，這也是目前需要重點突破的一個環節。而如何實現專業化，讓用戶能進行“傻瓜”式的操作應用，則是4D打印技術的應用與普及，所要解決的一個重要問題。

業內專家表示，盡管目前4D打印還只是處于概念階段，并且能夠支撐或者說具備時間認知能力的材料還很少，但科技的發展在出現苗頭后總會以驚人的速度裂變。如果說3D打印改變的是制造業生態，那么4D打印改變的將是整個商業生態。可以肯定的是，隨著4D打印智能材料的多樣化，4D打印技術的應用將更加廣泛，其未來發展前景將更加廣闊。