4D打印：夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

李巖

首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)博士研究生。主要研究領(lǐng)域?yàn)閯?chuàng)客教育、3D打印和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。2014年9月開(kāi)始從事三維設(shè)計(jì)與3D打印的教學(xué)與研究工作，東城區(qū)教師研修中心三維設(shè)計(jì)核心專(zhuān)家組成員。2015年10月起負(fù)責(zé)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用和課程開(kāi)發(fā)，探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與3D打印課程和基礎(chǔ)課程的跨學(xué)科融合。承擔(dān)的課題有《中學(xué)生創(chuàng)客教育中3D打印技術(shù)的應(yīng)用》《基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D打印交互式教學(xué)模式探究》等。

作為當(dāng)下風(fēng)頭正勁的前沿技術(shù)之一，3D打印已經(jīng)經(jīng)歷了從概念到流行、從流行到產(chǎn)業(yè)化的階段。汽車(chē)、房子、飛機(jī)零件、假肢甚至是人體器官，一時(shí)間世界上任何東西仿佛都可以通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)。當(dāng)人們還沉浸在3D打印技術(shù)的神奇時(shí)，在美國(guó)的TED大會(huì)上，來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的蒂比茨團(tuán)隊(duì)已經(jīng)向世人展示了其4D打印的初步技術(shù)。

4D打印的概念與原理

何為 4D 打印？麻省理工學(xué)院的研究員斯凱勒·蒂比茨通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，向我們展示了這種新一代打印技術(shù)。在演示中，他將一段繩狀物放入水中， 該物體能自動(dòng)折成MIT字樣的立體結(jié)構(gòu)。4D打印就是在3D打印的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間維度T，是可編程材料實(shí)現(xiàn)自我構(gòu)建和重組裝的技術(shù)。即在3D打印過(guò)程中，在預(yù)先設(shè)定的部位內(nèi)置入智能材料。打印完成后，將產(chǎn)品置于特定的環(huán)境中，智能材料在外界環(huán)境的作用下發(fā)生物理或化學(xué)變化，導(dǎo)致產(chǎn)品形狀、強(qiáng)度等發(fā)生改變，最終按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)，折疊成相應(yīng)形狀。正如斯凱勒·蒂比茨所言：“4D打印技術(shù)就是把智慧植入到材料中去”。

4D打印的核心技術(shù)

1.可編程材料（Programmable Matter，PM）

4D打印技術(shù)的關(guān)鍵更多地是依賴(lài)智能材料，而非打印技術(shù)。它所需要的并非一般的普通材料，而是帶有記憶功能的智能材料，是一種能夠感知外部刺激，如水、光、電磁場(chǎng)等，將傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身，并能夠通過(guò)判斷而進(jìn)行自我變形、組裝的新型功能材料。該材料不僅具備3D打印材料的可打印性，還要具有傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自我變形能力、自我組裝能力、自我診斷能力、自我修復(fù)能力和超強(qiáng)適應(yīng)能力，以及快速響應(yīng)的變形組裝能力。現(xiàn)階段，4D打印所需要的材料一般包括電活性聚合物（EPA）、形狀記憶材料（SMM）、壓電材料、電磁流變體、磁致伸縮材料等。

2. 觸發(fā)變形的“催化劑”

除了智能材料外，4D打印還有另一項(xiàng)非常關(guān)鍵的決定性因素，即要有能夠觸發(fā)4D打印產(chǎn)品自我組裝或自我變形的“催化劑”。這些“催化劑”不僅僅包括水，根據(jù)不同的智能材料，還可能包含光、熱、聲音、震動(dòng)、氣體，甚至是電磁場(chǎng)。也就是說(shuō)，通過(guò)軟件設(shè)定好模型后，在特定環(huán)境下，無(wú)需人為干預(yù)，無(wú)需額外提供能量，4D打印生產(chǎn)的智能產(chǎn)品便可按照事先的設(shè)計(jì)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自我組裝。

3. 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)，又稱(chēng)快速成型技術(shù)，是近20年來(lái)信息技術(shù)、新材料技術(shù)與制造技術(shù)多學(xué)科融合發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)。增材制造依據(jù)三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)逐層累加材料的方法制造實(shí)體零件。其制造原理是材料逐點(diǎn)累積形成面，之后逐面累積成為體。增材制造技術(shù)作為3D打印技術(shù)的核心技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展成熟。基于此技術(shù)的各種打印材料也是層出不窮。ABS、PLA、石蠟等打印耗材是目前最為流行的材料，而用于食品3D打印的，例如，3D打印巧克力和3D打印煎餅等也是應(yīng)用此技術(shù)。

4D打印的應(yīng)用設(shè)想

4D打印能夠打印出隨時(shí)間變化而改變的物體。如此一來(lái)，未來(lái)產(chǎn)品的屬性和工藝就將發(fā)生根本變革，產(chǎn)品也將會(huì)以一種全新的方式出現(xiàn)在人們面前，可以根據(jù)使用者的需求做出相應(yīng)的調(diào)整。另外，產(chǎn)品的適應(yīng)性會(huì)更加突出，不僅能夠感知環(huán)境的變化進(jìn)行自我重新配置，還能夠在產(chǎn)品出現(xiàn)故障或受損時(shí)進(jìn)行自我修復(fù)，以重新滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

根據(jù)4D打印的特點(diǎn)，目前初步設(shè)想應(yīng)用于以下幾個(gè)領(lǐng)域。但可以肯定的是，4D打印的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。

1. 軍事領(lǐng)域

美國(guó)軍隊(duì)已經(jīng)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于軍事設(shè)施和裝備中，成功地打印出軍工零件，且應(yīng)用的規(guī)模和兵種正在不斷擴(kuò)大。可以想象，未來(lái)采用4D打印技術(shù)制造出的零部件可實(shí)現(xiàn)自行裝配。大型作戰(zhàn)武器平臺(tái)可使用4D打印進(jìn)行生產(chǎn)，在受到敵人攻擊受傷后，很快可以將損壞的部件拆除，安裝上再生后的部件，從而實(shí)現(xiàn)自行修復(fù)的效果。

2. 公共領(lǐng)域

4D打印在公共領(lǐng)域中的應(yīng)用也是具有廣泛前景的。城市中的公共服務(wù)設(shè)施往往設(shè)計(jì)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大，且造價(jià)昂貴。如果某一部分受損或需要重新調(diào)整，傳統(tǒng)的做法就是大興土木，耗費(fèi)大量的人力和物力進(jìn)行曠日持久的改造。隨著4D打印技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，在公共設(shè)施的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中使用4D打印材料，可以通過(guò)不同的觸發(fā)來(lái)改變部件的形狀和尺寸，在部件損壞時(shí)，還可以根據(jù)對(duì)環(huán)境變化的感知，及時(shí)地進(jìn)行自我修復(fù)，大大減少了時(shí)間成本和人力消耗。

3. 醫(yī)療領(lǐng)域

如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。人造器官、人造假肢、人造骨頭等醫(yī)學(xué)案例令人稱(chēng)奇。4D打印出現(xiàn)后，將在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，從而極大地降低醫(yī)療成本，減輕患者病痛。借助于4D打印技術(shù)，在為病人安裝心臟支架時(shí)無(wú)需做開(kāi)胸手術(shù)，只需向血液循環(huán)系統(tǒng)中注射入攜帶設(shè)計(jì)方案的智能材料，待其到達(dá)心臟指定部位后自行組裝成支架即可。

除此之外，4D打印技術(shù)還可用于治療癌癥和更換受損的軟組織。在抗癌藥物研發(fā)的過(guò)程中，可將癌細(xì)胞設(shè)置為觸發(fā)“抗癌物”變形的催化劑。當(dāng)“抗癌物”遭遇癌細(xì)胞時(shí)，可以自動(dòng)觸發(fā)變形，直接將癌細(xì)胞吞噬，并自行分解隨人體代謝排出體外。在更換受損的軟組織時(shí)，4D打印的植入物可隨人體內(nèi)的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行變化，從而最大限度地減少人體排斥的不良反應(yīng)。

4D打印發(fā)展的障礙

3D打印的發(fā)展雖然迅速，但至今仍未普及。核心問(wèn)題是打印設(shè)備的技術(shù)與打印材料的單一兩方面。4D打印作為新生技術(shù)同樣會(huì)面臨技術(shù)環(huán)節(jié)的制約，主要瓶頸大致有三個(gè)方面。

首先是打印機(jī)硬件的制約。4D打印技術(shù)要想迅速發(fā)展，打印機(jī)的尺寸和價(jià)格是最重要的因素。從目前的發(fā)展方向來(lái)看，打印機(jī)應(yīng)向大型化和小型化發(fā)展。一方面打印大型構(gòu)件需要大型的4D打印機(jī)，這就使得打印機(jī)的價(jià)格必然會(huì)十分昂貴；另一方面，4D打印的普及需要進(jìn)入家庭，而如何做到小型化的同時(shí)保證打印精度還需要走很長(zhǎng)的一段路。

其次是打印材料的制約。與3D打印相類(lèi)似，打印材料也是制約4D打印發(fā)展的瓶頸之一。由于4D打印加入了時(shí)間維度，因此對(duì)于打印材料的要求更為復(fù)雜。4D打印的材料是帶有記憶的智能材料，它能夠感知外部環(huán)境的刺激，并具有能夠進(jìn)行自我變形和自我更新的特性。未來(lái)如何開(kāi)發(fā)出更加簡(jiǎn)單和低價(jià)的打印材料是4D打印技術(shù)亟待解決的問(wèn)題。

最后是設(shè)計(jì)軟件的制約。用于3D打印的三維設(shè)計(jì)軟件種類(lèi)繁多，但3D打印軟件卻只有少數(shù)幾種。4D打印之所以能夠通過(guò)介質(zhì)觸發(fā)，從而在特定的時(shí)間和環(huán)境下進(jìn)行自我變形和更新，除了材料本身與打印技術(shù)之外，另外一個(gè)關(guān)鍵要素就是軟件的設(shè)計(jì)，也就是通過(guò)對(duì)打印材料的設(shè)計(jì)，將變形要素直接設(shè)計(jì)在打印材料中。因此，如何專(zhuān)業(yè)化地讓用戶(hù)“傻瓜式”地操作是影響4D打印普及的重要因素。

結(jié)束語(yǔ)

如今，我們已經(jīng)真切的體驗(yàn)到3D打印帶來(lái)的精彩與便捷。接下來(lái)，我們必將張開(kāi)懷抱迎接4D打印時(shí)代的到來(lái)。隨著資本的注入和技術(shù)的快速發(fā)展，制約4D打印發(fā)展的諸多問(wèn)題和瓶頸將很快得到有效解決，這也必將引領(lǐng)新一輪的制造業(yè)變革。4D打印將會(huì)給人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)深刻的變化與影響，將人類(lèi)的夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

（作者單位：北京市第六十五中學(xué)）