未來4D打印,會是什么樣？

或許要不了多久，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……

3D打印方興未艾，4D打印漸行漸近。

正如智能穿戴一夜之間從科幻片走入現實，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。

近日，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，它可以自動適應環境，即便在運動中也會時刻貼合穿戴者的身體。

“4D打印比3D打印多的一個‘D’即時間維度，4D打印物不再是靜止的，而是智能和隨時間變化的。”西安交通大學機械工程學院教授李滌塵告訴《中國科學報》記者，未來，4D打印技術有望利用于生物醫療器械、智能機器人等各個領域，不過，目前離大規模應用還很遙遠。

超越3D打印的“炫”技

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，他相信機器和建筑很快也能夠自我組裝、復制以及修復，因為這是自然系統的內在能力。

看似很玄妙的4D打印技術其實并不神秘。按照李滌塵的解釋，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，通過外界環境的刺激，隨著時間實現自身的結構變化。

在李滌塵看來，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以外，還需要具備另一項非常關鍵的因素，那就是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，無需人為干預，無需通電，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。

或許要不了多久，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……

生物醫療領域的無窮應用

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射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。

除此之外，多自由度操作臂是微創技術未來發展的研究難點。李滌塵表示，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。”李滌塵稱，電極施加電壓作用在智能材料上，就可以實現操作臂的多自由度彎曲和轉向，從而成為一種剛柔并濟的操作臂柔性控制方法。

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。

從概念到現實仍需時日

不過，4D打印技術即便在大洋彼岸的美國也僅僅處于“實驗室”階段，在實現以上種種暢想之前，仍有許多瓶頸需要突破。

北京隆源自動成型系統有限公司總經理馮濤表示，目前4D打印技術主要有兩個短板，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；二是人才儲備短缺，全國從事3D技術的主要研究人員還不到100人，具備4D打印技能的人員就更少了。

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。

李滌塵認為，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。

在他看來，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，對不同外界環境激勵產生響應，響應變形的形式更多樣化。

受訪專家普遍認為，目前4D打印技術還只是處于概念階段，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。不過，可以肯定的是，4D打印技術研究和發展應用將對傳統機械結構設計與制造帶來深遠的影響，而隨著4D打印智能材料的多樣化，4D打印技術的應用將更加廣泛。