4D打印

大可

2013年，我們在“神秘魔方”里說過3D打印，那時(shí)就對3D打印機(jī)崇拜萬分：它能打印房屋、蛋糕、皮膚……

遺憾與希望

沒想到，3D打印會那么火，前進(jìn)的步伐會那么快。2015年，蘇州工業(yè)園區(qū)用3D打印建成了別墅、樓房。2016年6月，北京大學(xué)第三醫(yī)院宣布，為一名病人切除了患有腫瘤的五節(jié)段脊椎，植入了世界首個3D打印脊椎！有了這個形狀、功能都與真脊椎相近的3D果實(shí)，病人完全可以像正常人一樣生活和工作了。

不過，記得2013年介紹時(shí)還是留了點(diǎn)遺憾：3D打印機(jī)也是有缺點(diǎn)的。比如，想造多大的建筑，就得造多大的打印機(jī)。

去年7月，北京一家公司的廠房旁邊，一幢世界上首個3D整體打印的別墅亮相，兩層樓，長和寬都是15米左右。那么擔(dān)負(fù)重任的打印機(jī)有多大？長20米，寬和高都是6米。

一個標(biāo)準(zhǔn)籃球場有多大？長28米，寬15米。也就是說，這架打印機(jī)得橫著才能進(jìn)入籃球場！

而蘇州那家公司的打印機(jī)更是達(dá)到長32米，寬10米，高66米！

如果要造摩天大樓，這個打印機(jī)也一定是個巨無霸了！

你說，不用“整體打印”，一塊磚一塊磚地打印不就好了嗎？

且不說這樣做失去了打印優(yōu)勢之一的節(jié)約時(shí)間，那么多的材料，堆放起來要占多少地方？與采用現(xiàn)在的建筑材料相比，也沒有優(yōu)勢可言！

但2013年時(shí)我們是充滿了希望的，隨著科技的發(fā)展，相信人類總會不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)明，3D打印機(jī)不就是一個活生生的例子嗎？

哈，好有遠(yuǎn)見哦，科技果然迅猛發(fā)展，再也不需要巨無霸的打印機(jī)了！那是因?yàn)橛辛恕?D打印！

XYZ+

3D也就是常說的“立體”，也叫“三維”。我們已多次提及：無論是人、盒子、流水等等物體，都有長、寬、厚（高）或者左右、上下、前后，沒有3D就沒有物體的存在。長、寬、厚（高）或者左右、上下、前后也可以用X、Y、Z來表示。

那么4D呢？一般來說，就是XYZ+時(shí)間，因?yàn)樗形矬w還都存在另一個空間里，這個空間叫“時(shí)間”。

對4D打印來說，這“第四個”可以叫時(shí)間，也可以叫“形狀”。新鮮事物嘛，不同的研究者就會有不同的說法，當(dāng)然，也是因?yàn)樗麄儗@“第四個”有不同方向的研究。

很有意思吧。科學(xué)有很多成果.都是經(jīng)過反復(fù)研究、實(shí)驗(yàn)才得到的。在這之前，一個目標(biāo)，不同的人會走不同的路，有的成功有的失敗，或者最后的成功達(dá)到的是不同的目標(biāo)。

對4D打印還有一種解釋，是把兩者綜合起來，說出了4D打印的奇妙之處：不再像3D打印那樣，打出來什么樣子就是什么樣子，而是可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間，在一定條件的觸發(fā)下，打印好的材料自動發(fā)生形狀的改變。

舉例說，摩天大樓為什么不需要巨無霸的打印機(jī)就能打印出來？

打印機(jī)打出了一塊塊薄片，放到準(zhǔn)備建造摩天大樓的地方，時(shí)間一到，在一定條件的觸發(fā)下，薄片變成了外墻、立柱、屋頂…形狀完美地詮釋了設(shè)計(jì)要求，沒一點(diǎn)差別。

那么，什么叫一定的條件？

簡單說吧，就是給材料一定的能量，可以是受水的觸發(fā)，或叫激發(fā)，也可以是因?yàn)闇囟然蛘叽判缘鹊臈l件。

看出什么奧秘了？

對，關(guān)鍵就在材料！

材料為什么觸發(fā)后會變形，而且與設(shè)計(jì)吻合？

因?yàn)椋小坝洃洝保≡O(shè)計(jì)師掌握并巧妙地利用了它的“記憶”！記憶的魔力

沒有生命的東西也有記憶？哦，這并不神秘！

浙江大學(xué)的科學(xué)家，發(fā)明了能記憶的“聰明塑料”。只要預(yù)先給它“置入記憶”，也就是“教”它“記住形狀”，當(dāng)給它熱能量后，立刻會變成復(fù)雜的形狀。比如，一片塑料薄片，放人一定溫度的熱水中，短短幾秒鐘就變成了一只飛鶴！這是國際上首次實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜變形。而且，聰明的塑料，不僅可以記住一次變形，還可以重新置入記憶，記住其他形狀。

除了塑料外，金屬、紡織品等等，也有記憶材料，生活中已用上不少，比如，能“記住”一個人最舒服的所戴眼鏡架形狀的記憶金屬眼鏡架、能“記住”一個人最舒服睡眠姿勢的記憶棉枕頭。

有科學(xué)家形容說，記憶材料就如橡皮筋，把它拉開后，可以保持變化后的樣子，一旦松開，就會恢復(fù)原樣。所以，記憶金屬眼鏡架可以按照你的需要彎曲，若不小心被強(qiáng)力扭折，只要放進(jìn)一定溫度的水中就可以復(fù)原。

記憶材料除了在生活中使用以外，在別的地方更是派上了大用場。比如，螺絲、螺帽擰緊以后，讓它“恢復(fù)記憶”，回到原來樣子，會使連接部分更加緊實(shí)，不會因?yàn)槭艿秸饎拥容p易脫落。把人造骨骼先做得細(xì)小，不用開大刀就能通過小口子進(jìn)入身體，然后在身體溫度的觸發(fā)下，打開來成為需要的形狀。還有記憶輪胎，當(dāng)輪胎被刺穿后，會一下子把有漏洞的地方封住，去除刺穿的“元兇”后，破口處會自動收口，完全堵住漏洞，不用換胎……

頑皮的分子

它們的記憶從哪兒來？

聽說過水分子沒有？一滴水就是無數(shù)水分子組成的呀。

你肯定知道，水在不同溫度情況下會變化.分別為液態(tài)（水）、固態(tài)（冰）、氣態(tài)（水蒸氣）三種模樣，那么溫度促使什么起了變化？就是改變了水分子的間隔、排列方式造成的。

也就是說，改變了分子們的連接方式，就會改變水或者其他一些物質(zhì)的模樣。

發(fā)明“聰明塑料”的科學(xué)家，是在材料中加了一些東西，“指揮”塑料分子們重新組合連接方式，讓它們在需要的時(shí)候“變形”。科學(xué)家很形象地說：這相當(dāng)于很多分子手拉手跳著集體舞，當(dāng)處于較高的溫度時(shí)，分子之間相互“換手”，找到新伙伴，形成了新的“隊(duì)形”，產(chǎn)生永久記憶。而當(dāng)處于較低溫度環(huán)境下.材料即使被折疊成其他形狀，分子之間也不會“放手”，所以遇熱還是能恢復(fù)原有形狀。

好處多多

4D打印就是利用記憶材料“可變形”的特性，在打印之前，運(yùn)用軟件，將想要打印的模型、觸發(fā)材料“記憶”的時(shí)間，設(shè)定到能夠自動變形的材料中。

軟件，你肯定不陌生。比如，網(wǎng)上下載一個計(jì)算器軟件，就可以用它來加減乘除了。軟件有多種多樣，有機(jī)會再來討論。

材料打印出來后，到了設(shè)定的時(shí)間，經(jīng)過觸發(fā)，就得到了與預(yù)先設(shè)計(jì)一模一樣的實(shí)物。

這樣做有什么好處呢？

太多啦，舉例說：簡單，設(shè)計(jì)好了就可以直接“開打”；省事，打印出來的東西體積小，運(yùn)輸起來很方便，這樣也就不必把打印機(jī)挪來挪去了；給人帶來安全，比如空間站和衛(wèi)星出了問題能自我修復(fù)，人不必冒著生命危險(xiǎn)出艙修理，在地球上也這樣，在危險(xiǎn)的地方架橋，就完全可以利用4D打印來實(shí)現(xiàn)。endprint