近日，西安交通大學研究團隊開發出了一種新的4D打印材料。這種材料具有優(you) 異的自修複性、重塑性，可應用於(yu) 機器人、智能警報器、生物植入體(ti) 等產(chan) 品的設計與(yu) 製造。

　　4D打印實現的構件展現出聰慧的自適應、自組裝、甚至是自修複能力，展現出在生物醫學、生產(chan) 製造、航空航天等領域的巨大潛力，受到了越來越多人的關(guan) 注。

　　3D打印方興(xing) 未艾，4D打印已撲麵而來。

　　4D打印，增加的不隻是一個(ge) “D”

　　北京環球影城的“形象大使”威震天，雖然隻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，一經推出即圈粉無數。相信很多孩子都有過這樣的想象——拐杖可在下雨的時候自動變成雨傘(san) ，沙發能根據承載人的高矮胖瘦自動調整形狀，衣服可隨環境條件變化自動改變顏色……4D打印的出現，可能會(hui) 將這樣的幻想變為(wei) 現實。

　　2013年TED(Technology、Entertainment、Design)大會(hui) 上，來自麻省理工學院的研究員斯凱拉·蒂比斯演示了一個(ge) 神奇的實驗。他將3D打印製造出的多串繩狀PVC複合材料放入水中後，這種材料自動改變自身形狀，組成了麻省理工學院的縮寫(xie) 字母“MIT”。以實驗的方式，研究人員將4D打印最直觀地展現在了人們(men) 麵前。

　　在4D打印發展初期，人們(men) 普遍認為(wei) 4D打印是在3D打印的基礎上增加了一個(ge) 時間維度。即打印出的物體(ti) 可以隨著時間推移在形態結構上自我進行調整，最終自動達到預先設計要求。

　　然而，4D打印比3D打印不隻是增加了一個(ge) “D”(dimension，維度)。

　　隨著研究的持續推進，科學家認為(wei) ，4D打印的概念至少應該包括兩(liang) 個(ge) 方麵：一是它在3D打印基礎上增加了新的時間維度，同時空間維度也得到進一步拓展，增強了打印構件隨時空變化的能力；二是在外界特定環境條件的刺激下，4D打印不僅(jin) 能夠製造形狀發生可控變化的構件，也能夠製造性能、功能發生可控變化的構件。

　　4D打印之所以能夠實現這種神奇的效果，關(guan) 鍵在於(yu) 它以智能材料作為(wei) 主要原料。4D打印生成的產(chan) 品在特定環境(比如水、熱、電、光、磁等)和交互機製作用下，能夠形成具有智能動態結構特征的產(chan) 品——這與(yu) 以普通材料作為(wei) 原料、輸出靜態結構產(chan) 品的3D打印有著很大的不同。因此，4D打印也被認為(wei) 是智能材料的3D打印。

　　4D打印生成的產(chan) 品變化並非是隨機的，而是在研究人員預先的“編程”控製下。通過“編程”將設計融入智能材料，實現設計與(yu) 製造的一體(ti) 化，從(cong) 而簡化了從(cong) 設計理念到實物的創造過程。4D打印將“程序化”的造物方式變成了現實，因此有人說，3D打印的產(chan) 品是“死”的，而4D打印的產(chan) 品是“活”的。

　　風勁揚帆正當時

　　隨著人類社會(hui) 闊步向智能化時代邁進，4D打印技術恰逢其時，它與(yu) 智能材料相互促進、共同發展，已經在眾(zhong) 多領域顯示出良好的應用發展前景。

　　在生物醫學領域，4D打印技術已在智能植入支架、藥物遞送裝置以及器官替代物等方麵取得重要進展。

　　2021年底，中國科學院蘭(lan) 州化學物理研究所研究團隊設計開發出了一種新型水凝膠材料，成功實現4D打印血管支架，有望解決(jue) 血管支架在體(ti) 內(nei) 植入後難以再變形的問題；中國科學院沈陽自動化所研究團隊利用4D打印技術製造出了一款納米級軟體(ti) 機器人，可以派它進入人體(ti) ，進行藥物搬運和控釋；青島大學研究團隊研發出了一種4D打印幹細胞載體(ti) ，用這種“創口貼”把幹細胞“貼上去”，就可以實現創麵皮膚的快速再生修複……

　　在生產(chan) 製造領域，4D打印技術呈現出另一個(ge) 發展方向——打印出體(ti) 積較小的物品，然後自行組裝為(wei) 最終產(chan) 品。

　　卡內(nei) 基梅隆大學研究團隊開發出了一款特殊的4D打印代碼。這種代碼可以使得成品在加熱後按照預先設定好的規律折疊。打印出的成品看上去隻是一片普通的塑料板，但是加熱後，它就會(hui) 變成花朵、椅子等不同形狀。這項技術為(wei) 製造業(ye) 提供了一種可能，利用4D打印技術製造軟件進行原形設計，打印後產(chan) 品可根據實際需要，在特定時間或特定環境下自動組裝成最初設定的形狀，從(cong) 而大幅降低產(chan) 品的製造以及存儲(chu) 、運輸成本。

　　在航空航天領域，4D打印技術的應用可降低部件結構的複雜度、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，在發射前先將其加熱至特定溫度以上，揉成團狀放入發射裝置中，再冷卻固定形狀；進入運行軌道後，利用太陽能加熱天線，天線能夠重新恢複到原始形狀並正常工作。這種衛星天線可實現複雜的空間結構，同時也能實現合理利用衛星空間、顯著降低發射成本。

　　此外，4D打印的智能材料還可以更好地適應外太空惡劣環境，我國“祝融號”火星車在火星展示的中國國旗，就是由哈爾濱工業(ye) 大學自主研製的形狀記憶聚合物材料製成。它可在火星低溫、高輻射的惡劣環境中自主展開並保持狀態穩定。

　　軍(jun) 事應用尤可期

　　4D打印技術在軍(jun) 事領域的應用尤為(wei) 值得關(guan) 注。2022年8月，聯合市場研究公司(Allied Market Research)報告顯示，預計到2040年全球軍(jun) 用4D打印產(chan) 業(ye) 產(chan) 值將達6.734億(yi) 美元。美國市場觀察網站報道也指出，軍(jun) 用3D和4D打印市場預計在2022～2031年期間的複合年增長率將超過10%。由此可以看出，4D打印技術對國防戰略的重要性。

　　自適應偽(wei) 裝作戰服是軍(jun) 事領域探索應用增材製造技術較早的項目之一。它可以實現像變色龍一樣、隨環境變化自動調節自身顏色以增強偽(wei) 裝效果。隨著4D打印技術的出現和智能材料的發展，這種作戰服的偽(wei) 裝功能正在得到進一步提升，或可在隱蔽作戰方麵對未來戰場產(chan) 生革命性影響。

　　利用4D打印技術設計製造的武器裝備構件，能夠在瞬息萬(wan) 變的戰場條件下實現結構和功能的相應變化，從(cong) 而提升環境適應性、優(you) 化性能、降低成本。美國國家航空航天局基於(yu) 4D打印技術提出一種未來智能變體(ti) 飛機的設計構想——該飛機的外形可隨外界環境進行自適應變化，比如改變展長、優(you) 化升阻比以增大航程和航時，改變機翼彎度以增強飛機的機動性等，從(cong) 而獲得更好的作戰性能。加拿大的研究人員也在利用4D打印技術為(wei) 無人機開發一種新型的自適應柔性機翼，這將使無人機的機翼飛行效率更高、製造成本更低。

　　4D打印的自組裝能力同樣在軍(jun) 事領域有著廣泛的適用性。野營帳篷、單兵救生艇、戰場救護支架等裝備在打印後，可呈壓縮或者折疊狀態以便於(yu) 存放，使用時再自動展開成預先設計的形狀。這樣大大簡化了組裝的步驟和過程，減少了裝配零件的成本，也更便於(yu) 攜帶和運輸。

　　作為(wei) 一種正處於(yu) 快速上升趨勢的新型增材製造技術，4D打印實現了新材料、新工藝、新機理的組合創新運用，推動了“材料-結構-功能”的一體(ti) 化動態設計製造，促進了製造方式向智能化轉型發展。盡管它還麵臨(lin) 智能材料種類與(yu) 性能、打印工藝與(yu) 裝備、智能構件的評測與(yu) 檢驗等諸多方麵的挑戰，但4D打印的美好未來依然可期。

　　鄭昌興(xing) 趙 輝 嚴(yan) 明