4D打印-智能材料的增材制造技術*

李滌塵，劉佳煜，王延杰，王永泉，王樹新（.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，陜西西安 70049；.天津大學機構理論與裝備設計教育部重點實驗室，天津 30007）

4D打印-智能材料的增材制造技術*

李滌塵1，劉佳煜1，王延杰1，王永泉1，王樹新2
（1.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，陜西西安 710049；2.天津大學機構理論與裝備設計教育部重點實驗室，天津 300072）

4D打印是指智能材料的增材制造，智能材料結構在3D打印基礎上在外界環境激勵下隨著時間實現自身的結構變化。4D打印是3D結構打印與智能材料性能的結合。闡述4D打印的基本技術特征，介紹了目前國際上利用增材制造技術制備智能材料的研究發展狀況，展示了幾種典型應用，給出了在此方面的研究初步進展，并分析了4D打印技術發展的趨勢。

增材制造；智能材料；智能結構

0 引言

智能材料結構又稱機敏結構（Smart/Intelli?gent Material and Structure），在外界環境刺激下，如電磁場、溫度場、濕度、光、pH值等，智能材料結構可將傳感、控制和驅動三種功能集于一身，能夠完成相應的反應，智能材料結構具有模仿生物體的自增值性、自修復性、自診斷性、自學習型和環境適應性[1]。

智能材料分類方式繁多，根據功能及組成成分的不同，可大體分為：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。智能材料結構在眾多領域有著重要應用，如航空航天飛行器、智能機器人、生物醫療器械、能量回收、結構健康監測、減震降噪等領域[2]。然而，由于智能材料制造工藝的復雜性，傳統智能材料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智能材料結構，智能材料的傳統制備方法嚴重限制了智能材料結構的發展與應用。

增材制造技術（Additive Manufacturing），又稱快速成型技術、3D打印技術，是近20來信息技術、新材料技術與制造技術多學科融合發展的先進制造技術。增材制造依據CAD數據逐層累加材料的方法制造實體零件。其制造原理是材料逐點累積形成面，逐面累積成為體[3]。增材制造技術可以制造出任意復雜形狀三維實體，最近發展的智能材料3D打印技術使制造任意復雜形狀的智能材料結構成為可能，最新提出的4D打印技術是將3D打印技術與智能材料結構結合起來，智能材料結構在3D打印基礎上在外界環境激勵下隨著時間實現自身的結構變化。本文將首先概述智能材料的增材制造技術在國內外發展狀況及應用和4D打印技術的研究進展，然后重點介紹本課題組關于3D打印智能材料結構和4D打印技術的主要成果。

1 3D打印智能材料國內外研究進展

1.1 3D打印電活性聚合物材料

電活性聚合物材料（Electroactive Polymer，EAP）是一類在電場激勵下可以產生大幅度尺寸或形狀變化的新型柔性功能材料，是智能材料的一個重要分支[4]。離子聚合物-金屬復合材料(Ion?ic polymer-metal composites，IPMC)，Bucky Gel和介電彈性材料(Dielectric elastomers，DE)分別是EAP的典型代表。制造三維復雜形狀電活性聚合物結構是該領域的重要研究課題。

1.1.1 3D打印IPMC

IPMC材料是在離子交換膜基體兩表面制備出電極而形成的復合材料，在外界電壓作用下，材料內部的離子和水分子向電極一側聚集，導致質量和電荷分布的不平衡，從而宏觀上產生彎曲變形[4]。由傳統方法制備出的IPMC材料絕大多數為片狀[5]，受傳統制備方法的限制，很難制備出復雜形狀的IPMC智能材料。

Evan Malone和Hod Lipson在2006年首次提出了借助3D打印技術，制造三層結構和五層結構IPMC智能材料[6]。該研究組將Nafion溶液與酒精和水的混合溶液作為打印IPMC基體的前體材料，將Ag微小顆粒與Nafion溶液混合液體作為IPMC電極材料，先通過3D打印硅膠材料制備出一個立方體硅膠容器，然后通過噴頭逐點累加固化電極-Nafion基體-電極三層結構。3D打印制備的硅膠容器作為接下來3D打印IPMC的支撐，防止噴頭噴出的液體在固化之前流動而影響IPMC的制備。為了減少溶液的揮發和延長IPMC智能材料的使用壽命，Malone課題組在3D打印3層結構IPMC基礎上進行改進，在固化形成的電極外側打印固化一層由Hydrin C thermoplastic(Zeon Chemicals L. P.)材料形成的不可被水滲透的低導電性電極保護層。3D打印制造的五層結構IPMC可以將溶液封存于IPMC之中，有效增長了使用壽命。圖1為結構示意圖及3D打印制備的IPMC。

圖1 3D打印五層結構IPMC

盡管采用3D打印技術制備出的片狀IPMC與傳統工藝制備出的片狀IPMC在性能上具有較大差距，但是這種新的IPMC智能材料3D打印技術為制造復雜形狀IPMC三維結構奠定了基礎，使今后直接增材制造制造任意形狀IPMC智能結構成為可能。

1.1.2 3D打印Bucky Gel Actuator/Sensor

Bucky Gel是最新研究發展的一種離子型電活性聚合物智能材料，Bucky Gel的組成和驅動傳感原理類似于IPMC。Bucky Gel由三層結構組成，中間基體材料為由聚合物和離子液體構成的電解質層，基體材料兩邊為由碳納米管、聚合物和離子液體構成的電極材料[7]，在兩側電極加載電壓時，離子液體中的陰陽離子向兩個電極移動，引起Bucky Gel的彎曲。

傳統Bucky Gel的制備方法常采用溶液鑄膜法(Solution Casting Method)，分層分別固化電極和基體層，制備出的Bucky Gel大多為片狀，難以制備復雜形狀的Bucky Gel。N.Kamamichi于2008年提出用3D打印技術制造Bucky Gel，利用3D打印技術逐點累加固化電極-基體材料-電極，可以制備任意復雜形狀的Bucky Gel[8]。該課題組利用3D打印技術制造手形狀的Bucky Gel（圖2），利用3D打印技術可以克服傳統制備方法的缺陷，制造任意形狀Bucky Gel智能材料結構。

1.1.3 3D打印DE

傳統DE作動器是在介電彈性膜狀材料上下表面涂上柔性電極構成三明治結構[4]。當施加了電壓U，DE材料的上下表面由于極化積累了正負電荷±Q，正負電荷相互吸引產生靜電庫侖力，從而在厚度方向上壓縮材料而使其厚度變小，平面面積擴張。傳統制備方法制備出的DE材料大多為薄膜狀，難以制備任意復雜性狀的DE材料結構。

圖2 3D打印手形狀Bucky Gel

Rossiter等在2009年首次提出3D打印DE材料[9]，該課題組將光固化聚丙烯酸材料作為DE材料的集體膜材料，利用紫外光固化（Stereolithog?raphy）3D打印技術，采用雙噴頭紫外光固化3D打印機，一個噴頭逐層打印固化支撐結構，另一個噴頭逐點累加噴射液體聚丙烯酸材料，通過紫外光照射固化成型，逐層固化形成三維聚丙烯酸基體材料(圖3)，之后將支撐去除，在紫外光固化成型的聚丙烯酸基體材料表面涂抹柔性電極材料，形成DE材料。

圖3 3D打印DE材料

Landgraf等在2013年提出用Aerosol jet print?ing(噴霧打印)3D打印技術制造DE材料[10]，基體材料采用硅膠材料，電極材料采用硅膠與碳納米管混合物，通過逐層固化電極-基體-電極的方式實現三明治結構DE材料的3D打印。該課題組利用超聲波或者氣壓將硅膠液體轉變為噴霧狀，之后通過噴頭將硅膠噴霧噴射到工作平臺表面實現硅膠的打印（圖4）。由于選用的硅膠是雙組份混合固化，問了防止雙組份硅膠在噴頭內固化堵塞噴頭，該課題組設計了雙噴頭打印裝置，通過兩個噴頭分別將硅膠兩個組份以噴霧形式打印，兩個組分在接觸之后固化，這樣逐點累加固化實現三維結構DE材料的3D打印制造。

圖4 噴霧3D打印DE材料示意圖

R.Shepherd和S.Robinson在2013年提出了用紫外光固化硅膠3D打印技術制造DE材料[11]，基體材料采用可紫外光固化的硅膠材料，電極材料采用混有炭黑等導電顆粒的水凝膠，通過改變硅膠的粘度來增強硅膠的可打印性，采用3D打印技術逐層固化實現三維結構DE材料。由于3D打印制備出的DE材料未經過預拉伸，采用該方法制備出的DE材料變形較小，但是這種方法使制造復雜性狀DE智能材料結構成為可能。

A.Creegan和I.Anderson在2014年提出采用雙材料紫外光固化3D打印技術對DE基體材料和DE電極材料進行同時打印，紫外光固化3D打印技術是通過紫外光束在液體樹脂材料表面移動逐點累加固化實現三維實體打印，該課題組提出通過交替固化兩種液體樹脂材料A和B實現AB雙材料紫外光3D打印技術（圖5）。

圖5 雙材料紫外光固化3D打印技術

DE材料的3D打印技術目前仍處于初步研究發展階段，盡管目前通過3D打印技術制備出的DE材料性能與傳統方法制備出的DE材料還有差距，但是DE材料3D打印技術使今后制造任意復雜三維DE智能材料結構成為了可能，解決了傳統制備方法無法制備復雜性狀DE材料的難題。

1.2 3D打印形狀記憶材料

形狀記憶材料包括形狀記憶合金(Shape Mem?ory Alloy，SMA)、形狀記憶膠體(Shape Memory Gel，SMG)、形狀記憶聚合物(Shape Memory Poly?mer，SMP)等。形狀記憶材料最大的特點是具有形狀記憶效應[1]，將其在高溫下進行定型，在低溫或常溫下使其產生塑性變形，當環境溫度升至臨界溫度時，變形消失并恢復到定型的原始狀態,將這種加熱后又恢復的現象稱作形狀記憶效應。

EfraínCarre?o-Morelli等在2007年提出形狀記憶合金的3D打印技術[12]，利用有機聚合物將金屬粉末粘接在一起逐點累加固化形成三維立體形狀記憶合金結構。在打印過程中，噴頭將溶劑噴射到NiTi金屬粉末和有機膠的混合物上，有機膠與溶劑發生反應將NiTi金屬粉末粘結到一起，逐點累加固化得到所需三維實體形狀記憶合金結構。應用3D打印技術制造出的形狀記憶合金結構的材料密度達到了理論材料密度的95%，且具有形狀記憶效應（圖6）[13]。

圖6 采用3D打印技術制造的形狀記憶合金結構及其形狀記憶效應

H.Furukawa和J.Gong等提出了形狀記憶膠體的3D打印技術，采用3D打印技術逐點累加固化成型得到的三維形狀記憶膠體結構，具有形狀記憶效應，目前已應用于制造智能醫用繃帶、變焦距透鏡和仿生機器人等。

Samuel M.Felton和Robert J.Wood等在2013年提出了利用3D打印形狀記憶聚合物技術，制造具有自組裝(self-assembly)、自折疊(self-folding)功能的智能結構[14-15]。利用3D打印技術將形狀記憶聚合物逐點累加固化到硬質基板上，打印結束后固化成型的形狀記憶聚合物與硬質基板緊密結合成整體平面結構，在光、溫度、電流等外界環境激勵下，形狀記憶聚合物發生體積膨脹或收縮引起整體平面結構變形成為三維結構(圖7)。

圖7 3D打印形狀記憶聚合物與硬質基體構成智能結構

1.3 4D打印技術

Skylar Tibbits與Stratasys Ltd合作，于2013年首次提出4D打印技術[16-17]。4D打印技術是指打印智能材料，智能材料結構在3D打印基礎上實現自身的結構變化，即由3D打印技術制造的智能材料結構，在外界環境激勵下可以隨時間產生形狀結構的變化。4D打印技術相比于3D打印技術增加的一個維度是時間，由3D打印技術制造的智能材料結構可以隨著時間進行變化，4D打印制造的三維實體結構不再是靜止的、無生命的，而是智能的、可以隨外界環境發生相應變化的。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。

Skylar Tibbits提出的4D打印技術的核心是智能材料和多種材料3D打印技術，該課題組開發了一種遇水可以發生膨脹形變(150%)的親水智能材料，利用3D打印技術將硬質的有機聚合物與親水智能材料同時打印，二者固化結合構成智能結構。3D打印成型的智能結構在遇水之后，親水智能材料發生膨脹，帶動硬質有機聚合物發生彎曲變形，當硬質有機聚合物遭遇到臨近硬質有機聚合物的阻擋時，彎曲變形完成，智能結構達到了新的穩態形狀。該課題組制備了一系列由該4D打印技術制造的原型，如4D打印出的細線結構遇水之后可以變為MIT形狀，4D打印技術制造出的平板遇水之后可以變化為立方體盒子（圖8）。

圖8 由4D打印技術制造的親水智能材料和硬質有機聚合物智能結構發生變形

Q.Ge等在2013年提出利用多種材料3D打印技術實現4D打印技術，通過同時3D打印形狀記憶聚合物(SMP)纖維和有機聚合物基體，將形狀聚合物纖維結合到有機聚合物基體中，制造出的智能材料結構隨時間可發生形狀結構變化[18]。4D打印技術首先采用多種材料3D打印技術，利用噴頭將聚合物液滴噴射到工作平臺上，利用刮板將噴射的液滴刮平，之后用紫外光進行固化，逐點累加固化成型一層結構之后工作平臺下移一層的高度，逐層固化實現三維結構的制造，3D打印制造出的智能結構由形狀記憶聚合物纖維和有機聚合物基體組成（圖9）。

圖9 3D打印SMP纖維和有機聚合物基體

該4D打印技術采用同時3D打印SMP纖維和有機聚合物基體材料，打印成型的智能結構具有形狀記憶效應。若將該智能結構與另一有機聚合物材料層結合構成雙層結構，通過溫度的變化可實現彎曲變形和初始形狀之間的轉化，而且通過改變SMP纖維的方向角度可以改變智能結構的彎曲變形幅度，從而控制智能結構的變形（圖10）。

圖10 4D打印雙層智能結構發生彎曲變形

2 3D打印智能材料結構的應用

智能材料結構的3D打印技術克服了傳統智能材料制備方法難以制備復雜形狀智能材料結構的缺點，使制備任意復雜形狀三維智能材料結構成為可能。目前3D打印智能材料在環境自適應機構、結構健康監測、柔性機械、自執行系統等領域進行了初步應用。

2.1 環境自適應機構與結構健康監測

很多智能材料同時具有驅動功能和傳感功能，如形狀記憶合金(SMA)，既可以作為驅動器在不同溫度激勵下產生變形，又可以對構件內部的應變、溫度、裂紋進行實時測量，探測其疲勞和受損傷情況。

M.Dapino等提出了通過超聲增材制造技術(Ultrasonic Additive Manufacturing，UAM)將不同的金屬材料、智能材料結合成智能結構，該智能結構具有在不同環境下改變形狀結構和結構監測的功能[19]。UAM指在室溫下通過超聲波將金屬薄片結合在一起，逐層結合固化實現三維實體結構。M.Dapino等利用UAM技術將形狀記憶合金（SMA）等智能材料結合到金屬基體中，得到的智能結構可以根據需求改變形狀(圖11)，而且可以實現智能結構的健康監測和壽命預測，該智能結構可用于智能汽車和智能航天器的設計制造。

圖11 利用UAM將SMA與鋁基體結合可實現形狀結構變化

2.2 柔性機器人

3D打印智能材料結構廣泛應用于柔性機器人領域，相比于由硬質材料如金屬、陶瓷、塑料制成的傳統機械，柔性機器人在醫療機器人和仿生機器人等領域有著巨大的應用價值和前景。

M.Landgraf等提出利用DE材料的3D打印技術制造DE堆棧結構柔性機械，DE堆棧結構是將多個DE薄膜驅動器堆疊在一起，同時加載電壓，使每個DE智能材料在厚度方向的收縮變形疊加成大收縮變形，堆棧結構DE的傳統制備方法是利用手工或者半自動的制造方法將制備好的DE薄膜智能材料逐個疊加，該方法制造工藝復雜且難以制造多層DE堆棧結構智能機械。M.Landgraf等利用噴霧3D打印技術(Aerosol Jet Printing)將DE基體材料與電極材料逐層打印固化，形成電極材料與DE基體材料交替的DE堆棧式智能柔性機械。采用DE材料的3D打印技術制造堆棧式柔性機械，不僅減少了制造工藝復雜度和生產時間，而且提高了制造精度，可制造任意層數和任意形狀結構的多層DE堆棧結構柔性智能機械。3D打印智能材料結構必將推進柔性機器人的快速發展。

2.3 自執行系統

S.Felton和M.Tolley等利用形狀記憶聚合物(SMP)的3D打印技術制造了自執行系統(Self-De?ployable Systems)[14-15]。該課題組利用3D打印技術將形狀記憶聚合物與硬質基體材料結合成智能結構，在外界環境刺激下由3D打印技術制造的智能結構可以發生自組裝和自折疊，自執行系統可以應用于探測器和物流等多個領域[20]。該課題組利用SMP的3D打印技術將SMP與硬質有機聚合物基體結合成自執行智能結構---蠕蟲機器人(Inch?worm Robot)，通過控制蠕蟲機器人反復彎曲折疊變形可實現前進運動（圖12）。同樣，SMP的3D打印技術還可應用于物流領域，可以將三維實體結構打印成二維結構，在物流過程中節省存儲運輸空間，需要使用時通過外界環境激勵使其變形為三維結構實現功能。

圖12 SMP增材制造技術制造蠕蟲機器人

3 4D打印技術國內初步研究進展

西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室對4D打印技術進行了初步研究。

本課題組研究利用熔融沉積成型（Fused De?position Modeling，FDM）3D打印技術制造IPMC智能材料。常規熔融沉積成型工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結，逐點累加固化形成三維實體結構。本課題組將Nafion顆粒狀材料利用熱擠塑技術制備出Nafion絲材，通過調整噴頭溫度將Nafion絲材融化擠出，根據所需的三維實體結構逐點累加固化成型。之后將制備出的Nafion三維實體結構通過浸泡還原鍍、化學鍍和電度的方法在Nafion材料表面制備金屬電極。目前，本課題組還在研究利用導電聚合物以及水凝膠與導電顆粒混合體作為IPMC電極材料，這兩種材料不僅在模量強度上與Nafion材料接近，能夠有效提高IPMC的使用壽命，而且通過調整這兩種材料的流動性可以進行擠出成型，這樣IPMC的電極材料同樣可以通過3D打印技術制備。通過熔融沉積成型3D打印技術分別逐層固化導電聚合物/導電水凝膠電極材料、Nafion基體材料、導電聚合物/導電水凝膠電極材料，可以實現任意復雜形狀IPMC結構的直接3D打印制造。利用3D打印技術制備的IPMC，在IPMC兩側電極加載電壓時，IPMC會發生彎曲變形，且達到了較好的工作穩定性和較長的工作壽命，3D打印技術制造的IPMC智能材料結構在加載電壓下可以隨著時間實現形狀結構的變化，即IPMC材料的4D打印技術。采用4D打印技術制備出的IPMC盡管在性能上與傳統方法制備出的IPMC有差距，但是該種方法可以制備出任意復雜形狀的IPMC三維結構，克服了傳統制備方法只能制備片狀IPMC的困難。

本課題組對DE材料的3D打印技術也進行了研究。DE基體材料采用可熱固化的硅膠，液體硅膠從噴頭噴射到工作平臺上之后通過調節工作平臺的溫度加快液體硅膠的固化速度，電極材料采用可熱固化的硅膠材料與導電顆粒混合物，逐點累加固化電極材料-基體材料-電極材料實現DE材料的3D打印制造。利用3D打印技術制造的DE材料在兩側電極加載電壓后，隨著時間可發生厚度方向的收縮和平面面積的擴張變形，實現DE材料的4D打印技術。DE材料的4D打印技術為今后制造任意復雜形狀DE智能材料結構與柔性機器人的發展起到重要推進作用。

本課題組進一步研究了形狀記憶聚合物(SMP)的3D打印技術。利用熔融沉積成型(FDM)3D打印技術，SMP材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭將熔化的材料擠出，材料冷卻逐點累加固化形成任意形狀SMP三維實體結構。采用3D打印技術制造的SMP智能材料結構，具有形狀記憶功能，通過調節環境溫度，SMP智能結構可隨著時間發生形狀結構的變化，實現SMP材料的4D打印技術。

本課題組將自主研發的IPMC、DE和SMP材料的4D打印技術應用于微創手術器械多自由度操作臂的制造研究中。多自由度操作臂是微創技術未來發展的研究難點，目前大多數操作臂研究圍繞機械傳動與驅動的傳遞方式展開，主要特點是直臂加關節來實現分段彎曲和操作功能。基于智能材料結構的柔性操作臂可以設計成分段電極控制變形，實現機械關節的功能。電極施加電壓，作用在智能材料上，可實現操作臂的多自由度彎曲和轉向。這一方法將傳統的機械關節改為通過電場對智能材料性能的控制，有可能成為一種剛柔相濟的操作臂柔性控制方法。

圖13 4D打印IPMC和SMP結合形成柔性操作臂結構

本課題組目前正在研究利用IPMC和SMP的4D打印技術直接制造成型柔性手術操作臂。采用4D打印技術將柱狀IPMC與SMP管結合形成柔性操作臂(圖13)，通過控制4D打印技術制造的IPMC彎曲驅動操作臂的多自由度彎曲，4D打印技術制造的SMP實現操作臂的剛度可控。利用IPMC的4D打印技術，逐點累加固化制造柱狀IPMC(圖14)，柱狀IPMC擁有四個電極，通過控制不同電極加載電壓方式，可實現柱狀IPMC沿八個方向的多自由度彎曲[21-22]。利用SMP的4D打印技術逐層固化制造SMP管，SMP管設計有四個方形孔洞可以用來與4D打印制造的IPMC柱狀驅動器組合，構成如圖14所示的柔性機械臂結構。柔性操作臂的剛度控制應用的是SMP管的剛度可控功能，4D打印制造的SMP管在玻璃化轉變溫度以上時剛度很小，通過控制多個柱狀IPMC的彎曲實現柔性機械臂的彎曲，彎曲變形達到指定工作位置時，將SMP管的溫度降到玻璃化轉變溫度以下，這時SMP管剛度大幅度增大，將柔性機械臂固定在指定位置，支持通過操作臂內部的醫療工具的手術操作。本課題組目前還在研究利用DE材料和SMP的4D打印技術結合，逐層固化實現柔性機械臂結構。

圖14 4D打印制造柱狀結構IPMC

采用新智能材料制造微創手術操作臂是減少傳統機械結構體積，實現智能材料與復雜機構結合的應用點，是制造技術發展的新挑戰。傳統的機械制造多是機械結構件的加工和裝配，新的智能驅動材料與可變剛性材料將改變過去的剛體結構件設計方式，以軟體功能材料為主體，設計制造具有多自由度和剛度可控的柔性結構體。利用智能材料的4D打印技術制造智能材料結構，突破過去微創手術器械的單一材料和剛性結構，滿足表面柔性、機構剛性、物理特性和抗菌特征的新一代微創手術器械需求。本課題組將IPMC、DE和SMP智能材料4D打印制造技術應用于柔性操作臂的研究，將改變過去“機械傳動+電機驅動”的模式，走向智能材料的原位驅動模式，不再受機械結構體運動的自由度約束，可以實現連續自由度和剛度可控功能，同時自身重量也會大幅度降低。智能材料結構的4D打印技術將會對柔性機械的研究和發展起到重要的推進作用。

4 4D打印技術的發展趨勢

4D打印技術及其在智能材料結構中的應用研究尚處于起步階段。但是，其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。這一發展趨勢體現在以下方面。

（1）4D打印智能材料，將改變過去“機械傳動+電機驅動”的模式。目前的機械結構系統主要是機械傳動與驅動的傳遞方式，未來走向功能材料的原位驅動模式，不再受機械結構體運動的自由度約束，可以實現連續自由度和剛度可控功能，同時自身重量也會大幅度降低。

（2）4D打印技術制造驅動與傳感一體化的智能材料結構，實現智能材料的驅動與傳感性能融合。EAP材料具有良好的驅動性能和傳感性能，即在電場作用下可以發生形變，而且隨著其變形可以輸出電壓電流信號。本課題組將EAP材料的驅動性能與傳感性能結合，利用4D打印技術制造驅動與傳感一體化的微創手術柔性操作臂，操作臂既可以通過電場驅動智能材料變形實現操作臂彎曲，同時又可以在彎曲變形過程中通過智能材料的傳感信號控制操作臂精確適當變形而不傷害到人體組織，解決了傳統微創手術器械由于缺乏傳感功能而在變形過程中對人體造成損傷的問題。

（3）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。目前4D打印智能材料的激勵方式和變形形式比較局限，Skylar Tibbits等目前正在研究開發可以對振動和聲波產生響應的智能材料4D打印技術，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。

5 結論與展望

本文首先以電活性聚合物和形狀記憶材料為代表綜述了智能材料3D打印技術和4D打印技術的國內外研究進展，然后介紹了智能材料3D打印技術在環境自適應機構、結構健康監測、柔性機器人和自執行系統領域的應用研究，最后介紹了本課題組對3D打印智能材料和4D打印技術的基礎研究成果，以及應用智能材料4D打印技術制造微創手術柔性操作臂的研究。4D打印技術必將拓展制造技術的應用范圍，為制造技術展示出了新的發展前景，為相關學科和產業的發展提供制造技術支撐。

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4D Printing-Additive Manufacturing Technology of Smart Materials

LI Di-chen1，LIU Jia-yu1，WANG Yan-jie1，WANG Yong-quan1，WANG Shu-xin2
（1.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an710049，China；2. Key Laboratory of Mechanism and Equipment Design of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin300072，China）

3D Printing technology of smart materials makes it promising to fabricate complex smart material systems of arbitrary shapes. 4D Printing technology，combining 3D Printing technology and smart materials，refers to the technology to use 3D Printing technology to fabricate smart material systems capable of changing shapes over time in a controlled fashion under external stimuli，such as electric or magnetic field，temperature，moisture，light，pH etc.We review recent advances and applications of Additive Manufacturing technology of smart materials and the development of the novel 4D Printing technology.We also provide a brief outline of our research on Additive Manufacturing technology of smart materials systems and 4D Printing technology.

Additive Manufacturing；Smart Material；Smart Structure

TP24

A

1009－9492(2014)05－0001－09

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.001

李滌塵，男，1964年生，重慶南岸人，西安交通大學機械工程學院長江學者特聘教授，博士生導師，機械制造系統工程國家重點實驗室主任。兼任中國機械工程學會特種加工分會增材制造（3D打印）技術委員會主任、摩擦學分會人工關節與內植物委員會副主任，《Virtual&Physical Prototyping》、《Biofabrication》和《Jour?nal of Bionic Engineering》國際期刊編委。李滌塵主要在增材制造技術和生物制造方向開展科研工作。發表400余篇論文，獲得國家發明專利60余項，獲得國家科技進步二等獎1項，省部級科技成果一等獎3項。

(編輯：阮 毅)

*國家自然科學基金資助項目（編號：51290294）

2014－03－17