神奇的“4D打印”

梁姍姍

什么是4D打印？

聽起來4D只是比3D打印多了一個(gè)數(shù)字，但實(shí)際上卻是完全不同的概念。如果說3D打印就是用相應(yīng)的材料按照之前預(yù)先建模的計(jì)劃完全復(fù)制，那么4D打印則是直接將想要的性狀輸入材料當(dāng)中，然后打印出來的物體會(huì)自動(dòng)變形、組合出現(xiàn)，這聽起來似乎神奇而玄妙。

用美國麻省理工學(xué)院的一句經(jīng)典描述：在3D的基礎(chǔ)上提出了第四個(gè)緯度時(shí)間，隨著時(shí)間的推移，靜止的物體能夠變形和適應(yīng)新的環(huán)境。4D打印其實(shí)就是使用可編程的智能材料實(shí)現(xiàn)物體的自我組裝。4D打印之所以可以實(shí)現(xiàn)原材料自動(dòng)成形，最關(guān)鍵的是記憶材料，這是一種無需打印機(jī)就能夠讓材料成形的革命性新材料技術(shù)。

微尺度機(jī)器人

從上世紀(jì)90年代初開始，已經(jīng)有一些富有想象力的科學(xué)家開始在討論可編程物體了。不過直到2007年，可編程物體的研究才獲得了快速發(fā)展。當(dāng)時(shí)美國國防部資助了一項(xiàng)“可編程物體”的研究，目標(biāo)是設(shè)計(jì)和建造微尺度級(jí)別的機(jī)器人，能夠組合或變形為更大型的軍用系統(tǒng)，如實(shí)體展示器或?qū)Ｓ锰炀€。研究人員將機(jī)器人縮小到毫米級(jí)尺度，差不多相當(dāng)于一根鉛筆的粗細(xì)。

在幾年時(shí)間內(nèi)，他們已經(jīng)成功地展示了體積微小的變形機(jī)器人。現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)著手開發(fā)納米級(jí)自主組裝設(shè)備，可以用作生化傳感器、電子設(shè)備，或是給藥載體。科學(xué)家感興趣的是如何實(shí)現(xiàn)可編程物體的尺度達(dá)到人體大小，在這一方面，4D打印無疑大派用場。同3D打印一樣，4D打印也是通過逐層下料來構(gòu)建物體。區(qū)別是，通過4D打印，可以制造出能在一定條件下改變外形或性質(zhì)的物體。

如何使用4D打印來建造不需要傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)（馬達(dá)、電線和電子設(shè)備〕的機(jī)器。在美國麻省理工學(xué)院里，研究人員展示了大量成果，其中就包括一種利用特殊聚合物制成的蛇形物，能在注水后折疊出字母 “MIT”（麻省理工學(xué)院的英文縮寫）的形狀，這種聚合體還能自動(dòng)從“MIT”自動(dòng)變成“SAL”（自動(dòng)組裝實(shí)驗(yàn)室的英文縮寫）的形狀；還有一種平面結(jié)構(gòu)，可以自行折疊成八面體；以及一種平圓盤，在接觸水時(shí)會(huì)變成彎曲的折疊結(jié)構(gòu)。而美國弗吉尼亞理工大學(xué)的威廉姆研究小組又向前邁進(jìn)一步，他們將4D打印同納米材料結(jié)合在一起。在打印出的物體中嵌入納米材料，就可以制造出能在電磁波（可見光和紫外光）的作用下改變屬性的多功能納米復(fù)合材料。例如，利用會(huì)在不同光照條件下改變顏色的嵌入式納米材料，在這類新材料的基礎(chǔ)上，該研究小組開發(fā)出了全新的傳感器，能夠植入醫(yī)療設(shè)備，用于測(cè)量血壓、胰島素水平和其他醫(yī)學(xué)指標(biāo)的極限數(shù)值。

美軍很感興趣

3D打印需要建模掃描，但是4D打印更加智能，原材料可以自動(dòng)成型，這就大大簡化了制造過程。美國陸軍和海軍已經(jīng)開始了相關(guān)研究，希望能在戰(zhàn)場或軍艦上使用4D打印技術(shù)制造零件，以免除成千上萬個(gè)零部件因運(yùn)輸和儲(chǔ)存帶來的巨大消耗，節(jié)約大量的時(shí)間、空間和費(fèi)用。可編程物體的優(yōu)勢(shì)還不止這些，想象一下，在潛艇上備一箱智能材料，會(huì)有多么方便：如果潛艇的某個(gè)零部件損壞了，或者需要某種特殊工具，只需使用相應(yīng)的智能材料，并對(duì)其進(jìn)行編程，把它們制成所需的零部件或工具就可以了。工具用完后，還可以讓它重新分解回智能材料，以備后用。

4D打印除制造一般零部件和工具等可編程物體外，還可以用于制造能根據(jù)外界環(huán)境及人體體征來調(diào)節(jié)溫度的新型作戰(zhàn)服。2014年，美國陸軍投入了近100萬美元，資助一項(xiàng)使用4D打印制造動(dòng)態(tài)偽裝的研究。將目光放得更遠(yuǎn)一些，再加上一些想象力，就可以預(yù)見，能通過形變來繞過或通過障礙物的機(jī)器人終將成為現(xiàn)實(shí)。

發(fā)展前景廣闊

此外，不管是軍用還是民用，可編程物體還可以在大型建筑領(lǐng)域一顯身手。未來的椅子能夠自己變成桌子，還有那些柔軟的、能自我修復(fù)的輸水管道。這樣，就可以在不需要人工參與的情況下，建造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)器。想象一下可能出現(xiàn)的自組裝建筑，它們不再需要磚頭或澆灌混凝土，只需將相當(dāng)于建筑體積的程控物質(zhì)一股腦倒入地基，然后命令它們“生長”或“穩(wěn)定”成最終的結(jié)構(gòu)，同時(shí)其中的水電線路也一應(yīng)俱全。雖然對(duì)于普通的民居來說，似乎不必弄得如此復(fù)雜，但若在交戰(zhàn)區(qū)域或火星表面之類的惡劣環(huán)境下，這樣的自組裝房屋就變得非常有吸引力了。

在外層空間等惡劣環(huán)境中，這類系統(tǒng)尤其具有價(jià)值。例如，可以將一個(gè)小型壓縮包發(fā)射到太空中，進(jìn)入預(yù)定軌道后， 就能自動(dòng)變形為一顆具有特定功能的人造衛(wèi)星。其他用于外層空間的設(shè)備也可以設(shè)計(jì)成多種用途，比方說太陽能面板陣列，在需要時(shí)能夠變形成為拋物面天線或儲(chǔ)物艙。

除此之外，還有能根據(jù)氣壓或溫度變化自動(dòng)調(diào)整形狀的飛機(jī)機(jī)翼；能隨路面和天氣狀況改變抓地面積的輪胎；自修補(bǔ)材料不僅可以保護(hù)飛機(jī)，也可以讓橋梁在交通流量突增或地震等突發(fā)情況下確保安全；當(dāng)然，還有自組裝家具，幾乎人人都希望能買到這樣的東西：看起來只是一塊平板，卻能根據(jù)命令自動(dòng)折疊出不同的家具。