近日，西安交通大學(xué)研究團隊開(kāi)發(fā)出了一種新的4D打印材料。這種材料具有優(yōu)異的自修復性、重塑性，可應用于機器人、智能警報器、生物植入體等產(chǎn)品的設計與制造。

　　4D打印實(shí)現的構件展現出聰慧的自適應、自組裝、甚至是自修復能力，展現出在生物醫學(xué)、生產(chǎn)制造、航空航天等領(lǐng)域的巨大潛力，受到了越來(lái)越多人的關(guān)注。

　　3D打印方興未艾，4D打印已撲面而來(lái)。

　　4D打印，增加的不只是一個(gè)“D”

　　北京環(huán)球影城的“形象大使”威震天，雖然只是科幻電影中的虛擬形象，但這一可根據需要變形的機器人，喚起一代人的童年記憶，一經(jīng)推出即圈粉無(wú)數。相信很多孩子都有過(guò)這樣的想象——拐杖可在下雨的時(shí)候自動(dòng)變成雨傘，沙發(fā)能根據承載人的高矮胖瘦自動(dòng)調整形狀，衣服可隨環(huán)境條件變化自動(dòng)改變顏色……4D打印的出現，可能會(huì )將這樣的幻想變?yōu)楝F實(shí)。

　　2013年TED(Technology、Entertainment、Design)大會(huì )上，來(lái)自麻省理工學(xué)院的研究員斯凱拉·蒂比斯演示了一個(gè)神奇的實(shí)驗。他將3D打印制造出的多串繩狀PVC復合材料放入水中后，這種材料自動(dòng)改變自身形狀，組成了麻省理工學(xué)院的縮寫(xiě)字母“MIT”。以實(shí)驗的方式，研究人員將4D打印最直觀(guān)地展現在了人們面前。

　　在4D打印發(fā)展初期，人們普遍認為4D打印是在3D打印的基礎上增加了一個(gè)時(shí)間維度。即打印出的物體可以隨著(zhù)時(shí)間推移在形態(tài)結構上自我進(jìn)行調整，最終自動(dòng)達到預先設計要求。

　　然而，4D打印比3D打印不只是增加了一個(gè)“D”(dimension，維度)。

　　隨著(zhù)研究的持續推進(jìn)，科學(xué)家認為，4D打印的概念至少應該包括兩個(gè)方面：一是它在3D打印基礎上增加了新的時(shí)間維度，同時(shí)空間維度也得到進(jìn)一步拓展，增強了打印構件隨時(shí)空變化的能力；二是在外界特定環(huán)境條件的刺激下，4D打印不僅能夠制造形狀發(fā)生可控變化的構件，也能夠制造性能、功能發(fā)生可控變化的構件。

　　4D打印之所以能夠實(shí)現這種神奇的效果，關(guān)鍵在于它以智能材料作為主要原料。4D打印生成的產(chǎn)品在特定環(huán)境(比如水、熱、電、光、磁等)和交互機制作用下，能夠形成具有智能動(dòng)態(tài)結構特征的產(chǎn)品——這與以普通材料作為原料、輸出靜態(tài)結構產(chǎn)品的3D打印有著(zhù)很大的不同。因此，4D打印也被認為是智能材料的3D打印。

　　4D打印生成的產(chǎn)品變化并非是隨機的，而是在研究人員預先的“編程”控制下。通過(guò)“編程”將設計融入智能材料，實(shí)現設計與制造的一體化，從而簡(jiǎn)化了從設計理念到實(shí)物的創(chuàng )造過(guò)程。4D打印將“程序化”的造物方式變成了現實(shí)，因此有人說(shuō)，3D打印的產(chǎn)品是“死”的，而4D打印的產(chǎn)品是“活”的。

　　風(fēng)勁揚帆正當時(shí)

　　隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )闊步向智能化時(shí)代邁進(jìn)，4D打印技術(shù)恰逢其時(shí)，它與智能材料相互促進(jìn)、共同發(fā)展，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域顯示出良好的應用發(fā)展前景。

　　在生物醫學(xué)領(lǐng)域，4D打印技術(shù)已在智能植入支架、藥物遞送裝置以及器官替代物等方面取得重要進(jìn)展。

　　2021年底，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究團隊設計開(kāi)發(fā)出了一種新型水凝膠材料，成功實(shí)現4D打印血管支架，有望解決血管支架在體內植入后難以再變形的問(wèn)題；中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研究團隊利用4D打印技術(shù)制造出了一款納米級軟體機器人，可以派它進(jìn)入人體，進(jìn)行藥物搬運和控釋?zhuān)磺鄭u大學(xué)研究團隊研發(fā)出了一種4D打印干細胞載體，用這種“創(chuàng )口貼”把干細胞“貼上去”，就可以實(shí)現創(chuàng )面皮膚的快速再生修復……

　　在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，4D打印技術(shù)呈現出另一個(gè)發(fā)展方向——打印出體積較小的物品，然后自行組裝為最終產(chǎn)品。

　　卡內基梅隆大學(xué)研究團隊開(kāi)發(fā)出了一款特殊的4D打印代碼。這種代碼可以使得成品在加熱后按照預先設定好的規律折疊。打印出的成品看上去只是一片普通的塑料板，但是加熱后，它就會(huì )變成花朵、椅子等不同形狀。這項技術(shù)為制造業(yè)提供了一種可能，利用4D打印技術(shù)制造軟件進(jìn)行原形設計，打印后產(chǎn)品可根據實(shí)際需要，在特定時(shí)間或特定環(huán)境下自動(dòng)組裝成最初設定的形狀，從而大幅降低產(chǎn)品的制造以及存儲、運輸成本。

　　在航空航天領(lǐng)域，4D打印技術(shù)的應用可降低部件結構的復雜度、減少成本、提高航空航天器的性能。

　　比如4D打印的折疊式衛星天線(xiàn)，在發(fā)射前先將其加熱至特定溫度以上，揉成團狀放入發(fā)射裝置中，再冷卻固定形狀；進(jìn)入運行軌道后，利用太陽(yáng)能加熱天線(xiàn)，天線(xiàn)能夠重新恢復到原始形狀并正常工作。這種衛星天線(xiàn)可實(shí)現復雜的空間結構，同時(shí)也能實(shí)現合理利用衛星空間、顯著(zhù)降低發(fā)射成本。

　　此外，4D打印的智能材料還可以更好地適應外太空惡劣環(huán)境，我國“祝融號”火星車(chē)在火星展示的中國國旗，就是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研制的形狀記憶聚合物材料制成。它可在火星低溫、高輻射的惡劣環(huán)境中自主展開(kāi)并保持狀態(tài)穩定。

　　軍事應用尤可期

　　4D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應用尤為值得關(guān)注。2022年8月，聯(lián)合市場(chǎng)研究公司(Allied Market Research)報告顯示，預計到2040年全球軍用4D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達6.734億美元。美國市場(chǎng)觀(guān)察網(wǎng)站報道也指出，軍用3D和4D打印市場(chǎng)預計在2022～2031年期間的復合年增長(cháng)率將超過(guò)10%。由此可以看出，4D打印技術(shù)對國防戰略的重要性。

　　自適應偽裝作戰服是軍事領(lǐng)域探索應用增材制造技術(shù)較早的項目之一。它可以實(shí)現像變色龍一樣、隨環(huán)境變化自動(dòng)調節自身顏色以增強偽裝效果。隨著(zhù)4D打印技術(shù)的出現和智能材料的發(fā)展，這種作戰服的偽裝功能正在得到進(jìn)一步提升，或可在隱蔽作戰方面對未來(lái)戰場(chǎng)產(chǎn)生革命性影響。

　　利用4D打印技術(shù)設計制造的武器裝備構件，能夠在瞬息萬(wàn)變的戰場(chǎng)條件下實(shí)現結構和功能的相應變化，從而提升環(huán)境適應性、優(yōu)化性能、降低成本。美國國家航空航天局基于4D打印技術(shù)提出一種未來(lái)智能變體飛機的設計構想——該飛機的外形可隨外界環(huán)境進(jìn)行自適應變化，比如改變展長(cháng)、優(yōu)化升阻比以增大航程和航時(shí)，改變機翼彎度以增強飛機的機動(dòng)性等，從而獲得更好的作戰性能。加拿大的研究人員也在利用4D打印技術(shù)為無(wú)人機開(kāi)發(fā)一種新型的自適應柔性機翼，這將使無(wú)人機的機翼飛行效率更高、制造成本更低。

　　4D打印的自組裝能力同樣在軍事領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的適用性。野營(yíng)帳篷、單兵救生艇、戰場(chǎng)救護支架等裝備在打印后，可呈壓縮或者折疊狀態(tài)以便于存放，使用時(shí)再自動(dòng)展開(kāi)成預先設計的形狀。這樣大大簡(jiǎn)化了組裝的步驟和過(guò)程，減少了裝配零件的成本，也更便于攜帶和運輸。

　　作為一種正處于快速上升趨勢的新型增材制造技術(shù)，4D打印實(shí)現了新材料、新工藝、新機理的組合創(chuàng )新運用，推動(dòng)了“材料-結構-功能”的一體化動(dòng)態(tài)設計制造，促進(jìn)了制造方式向智能化轉型發(fā)展。盡管它還面臨智能材料種類(lèi)與性能、打印工藝與裝備、智能構件的評測與檢驗等諸多方面的挑戰，但4D打印的美好未來(lái)依然可期。

　　鄭昌興 趙 輝 嚴 明