傳說中的4D打印

文/張唯誠

傳說中的4D打印

文/張唯誠

已被廣為熟知的3D打印技術，將會極大地改變人們的生活。設想一下，把一臺打印機連接上你的家用電腦，它就能為你生產任何東西。沒有了牙刷？沒關系，打印一把；需要新鞋、新裙子？沒問題，讓打印機制造。你只需要告訴你的電腦所需物品的樣式和尺寸，電腦就會指揮打印機為你打印出來。

可是，如果你僅了解3D打印，那可就OUT了。

從3D打印到4D打印

3D打印的過程是“做加法”，即從底部到頂部，一層層地將材料“堆積”上去，最后形成產品，所以有人將3D打印稱為“添加式的制造業”。

在3D打印開始前，人們必須創建一個電腦文件，它要描述被打印物品的三維形態，包括大小、形狀、顏色等。然后，人們要操縱電腦將設計好的物品轉化成數據化了的虛擬的“薄片”。接下來，打印機就開始工作，它一層層地堆積“薄片”，直到“堆”成你想要的產品。

3D打印的材料五花八門，有金屬、塑料等工業原料，甚至有巧克力、奶酪等食材。打印出的“產品”也是多種多樣，電燈泡、收音機、遙控器、手機、食品、玩具等等，人們還用3D打印復制骨頭、牙齒以滿足醫療需求。現在，科學家們開始研究是否能用月球上的土壤打印一個月球基地，以及為未來的深空探險打印食物。

然而，人們還有更多的想法。美國康奈爾大學的霍德·利普森在考慮“是否能打印一個機器人，然后讓它從打印機中走出來？”這聽起來像是一個笑話，卻是有根據的。根據就是4D打印，也就是說，這種打印是四維的，它突破了打印科技現有的局限。

用3D打印制造出來的產品是不能動的，假若沒有人為干預，它們就做不了任何事，而且不論把它們搬到何處，它們都還是原來的那個樣子。然而4D打印就不一樣了，其產品能回應環境刺激，適應環境變化，改變形狀、大小和顏色。

盡管這種科技還處在起步階段，但人們已經能夠感受到它廣闊的應用未來了。例如，士兵們有可能穿上隨環境變換顏色的偽裝服，宇航員可以建造能變幻形狀的太空站，等等。至于像利普森這樣的科學家，他們甚至想到利用4D打印改變現有的機器人制造業，那就是讓4D打印機打印出機器人，然后讓機器人生產能打印機器人的4D打印機……

給材料“編程”

要讓這些想法變成現實，科學家們必須首先找到“智能”材料，即可以“編程”的材料，但它們并不是計算機，只是具有某種奇特的性質而已。例如，能按照人的意愿發生彎曲，能感受壓力，能感受溫度，將它們放在磁場中能從液體變成固體等，這些能力使它們看上去就像是被“編程”了一樣。

2014年，美國麻省理工學院的斯凱拉·蒂比斯向公眾演示了4D打印的原理，從而使人們看到了4D打印的未來。一段細絲被放進一個水槽中，它開始扭曲變形，先是一端翹起并且扭動，就像擁有某種機械裝置一樣，接著中段也出現彎曲并且拱起。細絲的變化過程一直顯示在屏幕上，最后它變化成了3個清晰的字母：MIT（麻省理工學院的英文縮寫）。細絲變化出了什么形狀并不重要，重要的是它是如何變的，為什么能夠這樣做。原來，細絲的變形能力來自于材料內部的某種“程序”，它在控制細絲的行為。

研究人員正在尋找新的材料去打印能夠做出更復雜變化的物體，他們使用的材料多種多樣，包括木材、碳、顏料和金屬等。與此同時，他們也力圖使這些材料獲得另外一種優勢，那就是減少廢棄物。科學家們認為，既然材料能通過“程序”使它們按某種路徑發揮功能，那么使用同樣的方法也能讓它們以某種方式停止工作。它們可以自我還原，自然修復以適應新的用途。即便它們沒有用了，也能自我降解以進入自然的循環，還能還原成最基本的成分以用于構建新的產品。

物體的第四維

相比于3D，4D多出的一維來自時間。時間是繼長、寬和高之后的第四維。物體隨時間變化，可移動、變形或者改變屬性。同樣，4D打印的產品也可被設計成能隨時間而變化。例如，一扇窗簾，它能改變形態使更多或者更少的陽光照進屋子。假若人們設計出一扇百葉窗，它能根據溫度的變化調節角度甚至開啟和關閉，那它就有了某種“智能”。現在的百葉窗都需要人們手工調節，如啟動杠桿和小電動機。假若使用4D打印，就有望讓材料自己控制這一切，這時百葉窗不需要外力，“智能”材料可以自己改變形狀，滿足人們的要求。

科學家們解釋說，這種材料很像自然界中的食蟲植物，例如捕蠅草等。當一有蟲子觸上來，捕蠅草就會發生一種“自動反應”，葉子立即會收攏將蟲子捕捉起來。類似的情況，4D打印使用的材料也有類似捕蠅草的本領，它們對環境刺激做出反應。例如，一些有“記憶”功能的材料能“記住”自己最初的形狀。當某種設定的溫度作用于它們時，它們便恢復到原來的樣子，這樣一來，科學家們便可以用這種材料做很多事。將來有一天，人們有可能用它們制造飛行器，它們的翅膀會自主地變形和彎曲，想來這種東西飛行起來一定會有更高超的表現吧！

初試鋒芒

在醫學領域，4D打印是最能大顯身手的地方。在美國密歇根州，科學家們實施了一個使用4D打印拯救生命的項目。有3個小男孩患有一種嚴重威脅生命的疾病，即氣管支氣管軟化癥。這種病導致他們在呼吸的時候容易出現氣管萎陷，從而危及生命。

通常情況下，這種病到了兩三歲就不治而愈了，但這之前則非常危險。醫生們需要制作一種裝置植入孩子們的咽喉以保持氣管暢通，從而幫助孩子度過危險期。這種裝置是4D打印的，它可以隨著孩子的成長而變化，最后自我消失。

研究人員首先使用電腦為孩子們的氣管做一個三維X射線成像，并將成像的數據輸入電腦，從而設計了一個名為“導氣管夾板”的裝置。這種裝置能將萎陷的氣管撐開。人們使用的材料是一種安全的塑料，和氣管的質地很相似。他們用打印機將這種裝置打印出來后植入孩子們的咽喉中。在接下來的3年里，這個裝置隨著孩子們身體的成長而自主地脹大，直到危險期過去孩子們獲得正常的呼吸功能為止。裝置本身隨后自我降解，被身體吸收。

前景看好困難不少

在新加坡科技設計大學，材料科學家們正在研制一種有形狀記憶能力的塑料，這種材料能從一種形狀轉變成另一種形狀。例如，當它們遇到熱、潮濕或者被某種光線照亮時，它們就會在形狀上發生變化。

在實驗室里，科學家們先將這種塑料打印成薄片，而這些薄片則能自己變化出各種形狀來，這個過程被研究人員形容為“自主性的折紙工藝”。現在，這些塑料薄片已能自己折疊成盒子、金字塔和小飛機。它們還能先變成一個盒子，然后將自己展開成薄片，最后又還原成盒子。

總的來說，4D打印還處于實驗性的概念階段，雖然未來前景令人神往，但它的發展還存在著一些障礙。首先，傳統的制造業并不能適應3D和4D打印，這就是為什么科學家們要設法開發新材料，研制合成材料的緣故。第二個障礙是尺寸，多數3D打印的產品都不小于幾厘米，但在醫療應用的領域，這個尺寸就太大了，假若要使3D和4D打印適應生物醫學科技的發展，這個尺寸應該小于幾微米才行。

不過這些障礙是可以克服的，隨著材料科學和打印科技的進一步發展，無論是3D還是4D打印都將一步步走向成熟。