全新造物邏輯下的4D打印技術(shù)

沈臻懿

從3D到4D打印技術(shù)的飛躍

提到3D打印技術(shù)，大部分人都已經(jīng)不再陌生。目前，3D打印的發(fā)展速度可謂一日千里，且極大地改變了人們的生活。但說(shuō)起4D打印技術(shù)，不少人或許就頗感陌生了。

3D打印，可以看成是某個(gè)物體的逐層制造。4D中多的這一個(gè)“D”，是物體繼長(zhǎng)、寬、高之后的第四維度。也就是說(shuō)，除了擁有3D打印技術(shù)的“長(zhǎng)寬高”三維結(jié)構(gòu)外，4D打印技術(shù)還增加了“時(shí)間”的第四維度概念。通過(guò)3D打印技術(shù)制造出的產(chǎn)品，在沒(méi)有人為干預(yù)的前提下是無(wú)法改變的，并一直保持著原狀。但基于4D打印技術(shù)的產(chǎn)品，會(huì)對(duì)其所處的環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而隨著時(shí)間的推移而發(fā)生改變。4D中的第四個(gè)“D”，使得打印產(chǎn)品不再是靜止的，而是賦予了其智能化與隨時(shí)間變化的神奇魔力。這種具有神奇魔力的產(chǎn)品，不僅能夠記住自身最初的形狀，當(dāng)其身處某種特定的環(huán)境條件下，還能回應(yīng)環(huán)境刺激，并恢復(fù)成最初的樣子。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的一支研究團(tuán)隊(duì)，就在實(shí)驗(yàn)室條件下嘗試開(kāi)拓著4D打印的應(yīng)用前景。該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一款4D鏤空連衫裙，能夠根據(jù)穿著者的身材進(jìn)行自我調(diào)節(jié)、變化，即使是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，也能實(shí)時(shí)貼合穿著者的形體。這在一定程度上解決了“量體裁衣”的困擾。同時(shí)，世界上第一雙4D鞋子也由該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)世。這種鞋子雖然在外觀上并不像4D打印技術(shù)那般玄幻，但其可以根據(jù)穿著者腳的大小和形狀進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，不僅合腳，更能有效降低制鞋成本。

從某種程度上說(shuō)，3D打印出的物體，仍然沒(méi)有脫離傳統(tǒng)意義的產(chǎn)品概念。但4D打印出的物體，可以看成是一種可“編程”的新型產(chǎn)品。這種產(chǎn)品不再僅僅以固定形態(tài)存在，其在一定條件下，可根據(jù)先期設(shè)定的時(shí)間，就產(chǎn)品的形狀等方面進(jìn)行相應(yīng)變化。這就意味著4D打印技術(shù)已然顛覆了傳統(tǒng)的造物形式，且具有了“全新的造物邏輯”。

不同于傳統(tǒng)造物過(guò)程先模擬后制造，或邊造物邊調(diào)整模擬效果的方式，4D打印是通過(guò)軟、硬件之間的無(wú)縫銜接，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過(guò)打印技術(shù)嵌入可變形的智能化材料中。只要在特定激活條件或時(shí)間下，無(wú)須人為干預(yù)，即可按照設(shè)計(jì)時(shí)的方案進(jìn)行自我“編輯”。

進(jìn)軍生物醫(yī)療的4D打印

4D打印技術(shù)創(chuàng)造的智能化結(jié)構(gòu)，可以從某種三維結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硪环N三維結(jié)構(gòu)，也可以在一維或二維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，向三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。多維結(jié)構(gòu)間的隨意變形，為4D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的深度應(yīng)用帶來(lái)了無(wú)限的可能。

心臟支架植入術(shù)，無(wú)疑是當(dāng)前治療冠心病、心肌梗死的最佳診療方案之一。其通過(guò)介入方法，將冠狀動(dòng)脈狹窄的部分?jǐn)U張后，放入金屬支架來(lái)對(duì)狹窄部位進(jìn)行支撐，從而令狹窄血管壁向外擴(kuò)張，并保證血液流通順暢。當(dāng)心臟支架遇到4D打印技術(shù)后，一種全新的醫(yī)療植入物即將于生物醫(yī)療領(lǐng)域璀璨登場(chǎng)。

4D打印技術(shù)在心臟支架植入術(shù)中的大顯身手，可進(jìn)一步降低病人手術(shù)可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)的核心，即是利用4D打印制造出帶有記憶功能的生物心臟支架。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家還需要對(duì)帶有記憶功能的支架材料予以精準(zhǔn)控制，從而令其在一定溫度和壓力下，能夠“變身”為預(yù)先設(shè)定的形態(tài)。在手術(shù)時(shí)，只需通過(guò)血液循環(huán)系統(tǒng)注射帶有設(shè)計(jì)方案的智能化材料，這種材料抵達(dá)心臟指定部位后，即會(huì)按先前設(shè)定的方案來(lái)自我組裝并形成支架。

相較于傳統(tǒng)金屬支架，4D打印制造出的支架，在疏通了血管之后，還能漸漸分解成水和二氧化碳等物質(zhì)，最終徹底消失。其不僅可以防止血管再度變得狹窄，還可以避免支架血栓等問(wèn)題的產(chǎn)生。

對(duì)于女性來(lái)說(shuō)，乳腺癌無(wú)疑是“令人絕望”的存在，患者為了擺脫其困擾，往往不得不付出乳房切除的代價(jià)。隨著4D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的介入，這一現(xiàn)狀將被徹底改變。未來(lái)，乳腺癌患者在經(jīng)歷手術(shù)后，不僅能夠切除腫瘤，還能夠保留完整的乳房及其生理功能。這一技術(shù)的關(guān)鍵，就是利用4D技術(shù)打印出一種帶有“時(shí)間維度”的可降解生物材料填充物。這種生物材料為多孔狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，與人體組織之間極為相容，且具有良好的支撐性能和彈性。在對(duì)患者的乳腺癌腫瘤進(jìn)行切除和對(duì)腋窩淋巴結(jié)進(jìn)行清理后，就需要在缺失的乳腺組織中填入帶有預(yù)先設(shè)定方案的4D打印可降解生物填充材料。由于該“智能化”材料帶有“時(shí)間”這一第四維度，其進(jìn)入患者乳房后，即會(huì)按事先設(shè)置的時(shí)間逐步降解。在此過(guò)程中，患者自身的纖維組織將不斷生長(zhǎng)至填充物中，并最終隨著填充物的降解、消失而完全取代填充物。這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅不會(huì)讓患者體內(nèi)遺留異物，且能讓患者再次擁有自然、健康的乳房。除了乳腺癌之外，4D打印技術(shù)所制造的可降解生物材料，還可應(yīng)用于其他人體組織缺失的手術(shù)填充。

4D打印出的“超材料”

4D打印、材料科學(xué)和力學(xué)的融合，誕生出了一種名為“超材料”的智能化材料。“超材料”一詞，來(lái)源于希臘語(yǔ)中的“meta”，意為“更高”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“超材料”就是自然界中所沒(méi)有的，且不同尋常的材料。目前，科學(xué)家已基于4D打印技術(shù)，研發(fā)出了一種輕質(zhì)柔性材料，其可以用于防災(zāi)減震、安全防護(hù)以及柔性機(jī)械等設(shè)備，將在安全、健康等領(lǐng)域大放異彩。

這種智能化的材料，既可以像鋼鐵一般堅(jiān)硬，又能夠像海綿一樣柔軟，且可以隨意改變自身形狀。換句話(huà)說(shuō)，該4D打印超材料具有可調(diào)特性。當(dāng)溫度處在室溫條件和90攝氏度之間時(shí)，材料剛度可調(diào)節(jié)范圍超過(guò)了100倍，從而可極大限度實(shí)現(xiàn)減震功能。此外，在加熱條件下，4D打印超材料可恢復(fù)為原始形狀。

除減震效能外，4D打印超材料還可用于飛機(jī)或者無(wú)人機(jī)機(jī)翼。基于超材料所制造出的機(jī)翼，能夠使其在飛行過(guò)程中針對(duì)溫度、氣壓或者其他環(huán)境條件的變化來(lái)做出相應(yīng)的回應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空氣阻力的最大化或最小化，從而通過(guò)“自動(dòng)”改變機(jī)翼形狀來(lái)獲得最佳性能。

受到章魚(yú)觸角的仿生學(xué)啟示，由靈活、柔軟材料制成的柔性機(jī)械設(shè)備，可基于任務(wù)性質(zhì)和所處環(huán)境，來(lái)調(diào)整相應(yīng)的剛度或靈活性。前述理論在4D打印超材料的介入下，已然在微型植入式醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域有著極為光明的應(yīng)用前景。多自由度的操作臂，是微創(chuàng)技術(shù)發(fā)展的一大難點(diǎn)。利用4D打印超材料所制造的診斷、治療植入器械，在植入的過(guò)程中可以暫時(shí)變得較為柔軟且靈活，其可以像章魚(yú)觸手一般，通過(guò)食道、肛門(mén)等人體自然腔道，進(jìn)入人體，并在人體內(nèi)隨意改變行進(jìn)方向。這一功能在便于微創(chuàng)植入的同時(shí)，也大大減少了患者因?yàn)橹踩牖顒?dòng)而引發(fā)的痛苦與不適感。

與此同時(shí)，4D打印超材料在安全領(lǐng)域也有著不凡的表現(xiàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，前述材料具有的溫度和記憶特性，極為適用于車(chē)輛上的調(diào)控?zé)崦粼．?dāng)前，車(chē)輛溫控器多利用石蠟熱脹冷縮的原理來(lái)進(jìn)行控制，往往存在加工易融化、動(dòng)作滯后等問(wèn)題，也影響了行車(chē)安全性。若利用4D打印超材料來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控器的調(diào)節(jié)，則可完美規(guī)避前述問(wèn)題。輪胎爆胎，尤其是高速行進(jìn)過(guò)程中的車(chē)輛爆胎，往往會(huì)造成極為嚴(yán)重的安全事故。為了增強(qiáng)行車(chē)的安全性，科學(xué)家基于4D打印超材料的特性，嘗試將其應(yīng)用于車(chē)輛輪胎，其所具有的超彈性特點(diǎn)，可有效避免輪胎發(fā)生爆胎的風(fēng)險(xiǎn)。

值得關(guān)注的是，橫空出世的4D打印技術(shù)，目前大多處于實(shí)驗(yàn)室階段。前述種種設(shè)想如果要走出實(shí)驗(yàn)室，并大規(guī)模普及，尚需要突破諸多瓶頸難題。但值得期待的是，4D打印技術(shù)理念將給傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域帶來(lái)巨大影響，其應(yīng)用前景一片廣闊。

編輯：黃靈 ?yeshzhwu@foxmail.com