4D打印初現光芒

劉露

2013年，在美國加州舉辦的TED（技術、娛樂、設計的英文縮寫）大會上，麻省理工學院（MIT）的科學家斯凱勒·蒂比茨為大家表演了一個技驚四座的“魔術”。

他將兩根貌似普通的長繩扔進水中，繩子很快發生了不可思議的變化：一根繩子像有生命一般，慢慢地卷曲、變形，然后自動形成了字母“MIT”的字樣；另一根繩子則似乎在做機械運動，折疊成多個90度直角，最后形成了一個規整的立方體框架。整個過程完全沒有人工參與，看起來就像是材料擁有了自我意識，在進行自我加工變形。

這個“魔術”究竟是如何做到的？實際上，初看無特別之處的長繩主要由兩種材料合成。一種是高分子聚合物，在水中可以延展到自身原來長度的兩倍；另外一種材料則可以在水中保持固定形態。借助設計軟件和3D打印機，蒂比茨將可延展和不可延展的兩種材料混合打印到一縷繩線中，只要將它放入熱水浸泡，用不了多久就可以彎曲變形成預先設定的形狀。

這就是4D打印技術。4D打印并不是“第四維度”，4D打印比3D打印多出的一個“D”指的是時間維度，人們可以通過軟件設定模型和時間，變形材料會在設定的時間內變形為所需的形狀。

形象地講，4D打印技術=3D打印技術+時間，即由3D打印技術打印出來的復合材料，隨著時間的推移，慢慢發生自我調整，實現自我變形。這種變形是在打印之前就設定好的。換句話說，4D打印是在原有3D打印技術的基礎上，賦予材料自動變形的能力，研究人員通過軟件完成建模，將想要的形狀輸入材料當中，變形材料就會按照預先的設定完成變形。目前的4D打印需要外部能量來刺激內在的變化，例如TED大會展示的模型就用水作為觸發條件。

當然，不是所有材料和水接觸后都能完成“自主組裝”，解碼和材料選擇是關鍵。蒂比茨將想要制作的內容進行解碼，這是一種類似于解析人類DNA序列的逆向工作。然后，他選擇普通塑料和一種活性物質（蛋白質），將解碼后的序列植入其中。接下來奇跡就出現了，這些帶著“智慧”的物質會按照設想發生形變，“它們可以扭轉正120度、負120度，直至到達最精確的位置”。

“要知道，打印其實并不是一個新鮮的概念。”蒂比茨說，“可是當它涉及未來的變化時就不一樣了。我們可以隨意生成很多架構，利用材料的彎曲和扭轉來改變生活中的很多方面。如果地下水管能夠實現自我伸縮，以應對不同的需求和流量，這樣就能夠節省掉挖掘街道的步驟了。”

與3D打印需要建模、掃描不同，4D打印更為智能，物料可自行創造，簡化了打印過程。4D打印讓快速建模有了根本性的轉變。與3D打印的預先建模然后使用物料成形不同的是，4D打印直接將設計內置到物料當中，簡化了從“設計理念”到“實物”的過程。讓物體如機器般“自動”創造，不需要連接任何復雜的機電設備。蒂比茨說：“這就像是機器人，只是沒有了電線和發動機。”

4D打印技術牽涉到對特殊材料的應用，這些材料在感知到運動狀態，或是暴露于水、空氣、重力場、磁場或感知到溫度改變時會改變自身的形狀。4D打印技術的出現，有可能在未來徹底顛覆傳統的制造工業，讓制造行為在一些嚴苛的環境條件，如外太空，變得更加容易。

4D技術的出現讓業界為之振奮，這種分形藝術的奇妙讓全世界的設計師和建筑師為之癡狂。想想看，你只需要在電腦前將一座摩天大樓進行解碼，然后輸入到特定的材質當中，它就可以自動“長”出屋頂、承重墻以及電梯間……

此外，這一技術還有可能應用到家具、自行車、汽車甚至是醫療領域。不過，由于解碼的步驟非常復雜，所以目前4D打印技術還只能“打印”可以自動變形的條狀物體。接下來蒂比茨和他的同行們的研究目標是“打印”片狀物體，然后才是結構更加復雜的物體。盡管還不夠完善，但蒂比茨顯然已經觸摸到改變未來世界的“門把手”。

有人甚至預測，4D打印技術將使得房屋建筑真的可以自動“長”出屋頂、承重墻。傳統建筑過程一般是先設計出圖紙和模型，再按設計施工建造，甚至還要一邊搭建一邊調整模擬的設計效果。不過，在4D打印時代，產品將變得更加智能化和人性化，危險地區的工程將不再需要人的參與，橋梁、水壩、公路、房屋……，一切都將按照設計自行建造。人們只需坐在電腦旁，根據自己的想法和需要，設計出適合自己的產品，然后輕點一下“打印”便大功告成。

4D打印技術目前還不成熟，但研究人員相信，4D打印不但能夠創造出有智慧、有適應能力的新事物，還可以徹底改變傳統的工業打印甚至建筑行業，與此前的3D打印技術相比，它將具有更大的發展前景，帶來生物科學、材料科學、機器人、交通運輸甚至太空探索領域的革命性變化，未來它的發展前景將十分廣闊。對此，我們拭目以待！

【責任編輯】趙新宇endprint