4D打印技術(shù)及其軍事應(yīng)用前景

徐可 李曉紅

目前，增材制造技術(shù)主要包含3D打印和4D打印等。其中，3D打印可在打印區(qū)域的長度、寬度和高度3個維度成型具有任意復(fù)雜形狀的構(gòu)件，它要求構(gòu)件的形狀、性能和功能永遠(yuǎn)穩(wěn)定。4D打印則在3D打印的基礎(chǔ)上，與自組裝技術(shù)相結(jié)合引入了時空維度：通過對材料或結(jié)構(gòu)的主動設(shè)計，使構(gòu)件的形狀、性能和功能在時間和空間維度上能實現(xiàn)可控變化，滿足變形、變性和變功能的應(yīng)用需求。

因此，4D打印技術(shù)的本質(zhì)是3D打印技術(shù)與可變形材料、新型設(shè)計技術(shù)的統(tǒng)一體：借助先進(jìn)的多材料3D打印工藝，采用可變形材料作為原料，在對材料形變精準(zhǔn)預(yù)測的基礎(chǔ)上開展動態(tài)設(shè)計，使最終產(chǎn)品具備所需特性。這種獨特的能力使4D打印技術(shù)有望制造出具備顛覆性功能的產(chǎn)品，從而變革產(chǎn)品制造、裝配、儲存、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，非常契合國防領(lǐng)域的需求。

4D打印技術(shù)與3D打印技術(shù)的區(qū)別

3D打印技術(shù)是一項誕生于1984年的快速成形技術(shù)，通過計算機輔助工具，將三維數(shù)字模型逐層堆疊成形。而4D打印技術(shù)則更進(jìn)一步，采用新型材料和先進(jìn)設(shè)計技術(shù)，使制造出來的實體形狀、性質(zhì)能夠可控變化，從而實現(xiàn)特殊功能。

3D打印與4D打印技術(shù)的區(qū)別對比

一是打印材料不同。3D打印技術(shù)通常采用形態(tài)穩(wěn)定且不易產(chǎn)生較大形變和性變的熱塑性塑料、金屬、陶瓷等材料;而4D打印技術(shù)則采用可在特定條件下產(chǎn)生特定形變和性變的可編程材料，從而賦予產(chǎn)品更多的功能。

二是形變和性變能力不同。3D打印技術(shù)力求使制造的產(chǎn)品形狀和性能穩(wěn)定，最大程度地降低產(chǎn)品的形變和性變;而4D打印技術(shù)則充分利用制造完成后產(chǎn)品產(chǎn)生形變和性變的現(xiàn)象，使產(chǎn)品可以根據(jù)環(huán)境條件變化而產(chǎn)生不同的功能。

三是設(shè)計方法不同。3D打印采用的是實體靜態(tài)設(shè)計，設(shè)計人員只需要設(shè)計產(chǎn)品的單一形狀和性能即可;而4D打印則要求對產(chǎn)品進(jìn)行動態(tài)預(yù)測，不僅要設(shè)計出產(chǎn)品的最終形狀、性能和功能，還要根據(jù)材料特性進(jìn)行材料編程，設(shè)計出產(chǎn)品中間的形狀和性能。

4D打印技術(shù)發(fā)展歷程

4D打印技術(shù)于2013年由麻省理工學(xué)院首次進(jìn)行展示：將采用4D打印技術(shù)制作而成的聚合物鏈條置于水中，鏈條自動折疊形成預(yù)先設(shè)計的形狀。這種鏈條由兩種材料采用增材制造而成，一種在水中膨脹，另一種體積不變。遇水膨脹的部位壓迫其他部位產(chǎn)生形變，形成預(yù)定的形狀。此后，4D打印開始逐漸受到不同學(xué)科研究人員的關(guān)注，在設(shè)備、材料、軟件、設(shè)計等技術(shù)方面開展相關(guān)研究。

4D打印技術(shù)的誕生可追溯至2007年美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展的“可編程物質(zhì)”項目研究，該項目旨開發(fā)出一種可在軟件控制或外界刺激的條件下轉(zhuǎn)變成理想或有用形態(tài)的智能材料，實現(xiàn)根據(jù)需求在現(xiàn)場快速制造物資，并使軍事裝備能夠根據(jù)指令改變形狀。DARPA設(shè)想中的可編程物質(zhì)是一種智能材料，包含驅(qū)動及傳感機制，可以在軟件控制或者外界條件的刺激下變形成為有用的形狀。可編程物質(zhì)的設(shè)想應(yīng)用包括三維實體顯示、可變形天線、可重構(gòu)電子設(shè)備以及多功能現(xiàn)場制造設(shè)備等。

DARPA計劃從模塊化機器人、新型材料、納米技術(shù)、微機電系統(tǒng)等多個領(lǐng)域?qū)删幊滩牧祥_展研究，共有包含麻省理工學(xué)院在內(nèi)的5所大學(xué)的研究團(tuán)隊參與該項研究。麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊在此項目支持下開發(fā)出可編程物質(zhì)執(zhí)行機構(gòu)，能夠根據(jù)溫度的變化展開或折疊，并以此為基礎(chǔ)制造出可自動折疊成飛機或艦船形狀的機器人。

此后，麻省理工學(xué)院在DARPA的資助下繼續(xù)開展一系列可編程物質(zhì)方向的研究，并于2011年建立了自組裝實驗室，最終促成4D打印技術(shù)的問世。

4D打印技術(shù)的特點

3D打印技術(shù)通過各種方式將原材料如同疊“磚塊”一般逐層堆疊成形，具有高設(shè)計自由度、無需模具等優(yōu)點。4D打印采用經(jīng)特殊設(shè)計和制備的新型材料，使這些“磚塊”能夠感知外界條件，隨之產(chǎn)生形狀、性能和功能的變化。可以看出，3D打印用于成形結(jié)構(gòu)或功能構(gòu)件，而4D打印用于成形智能構(gòu)件。

可編程物質(zhì)執(zhí)行機構(gòu)（左）和自動折疊機器人

4D打印材料根據(jù)對不同刺激類型的響應(yīng)進(jìn)行分類

因此，4D打印技術(shù)具有以下優(yōu)勢。一是特殊產(chǎn)品制造，如方便后勤運輸?shù)淖越M裝設(shè)備、可自我修復(fù)的自愈合裝甲、特定情況下自銷毀的高科技設(shè)備等;二是進(jìn)一步提高設(shè)計自由度，如果說3D打印幫助設(shè)計人員擺脫了可制造性束縛的話，那么4D打印則打破了裝配性的限制，使設(shè)計人員不必完全拘泥于裝配制約，設(shè)計出傳統(tǒng)裝配方式所無法組裝的高性能產(chǎn)品;三是降低成本，借助該技術(shù)，小型增材制造設(shè)備可以先制造小體積的中間產(chǎn)品，然后將中間產(chǎn)品變形成為所需的大型中空結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，節(jié)省設(shè)備成本。此外，借助產(chǎn)品可變形、變性和變功能的特性，該技術(shù)還能夠減少裝配、物流和儲存等環(huán)節(jié)的成本。

新型材料的應(yīng)用是4D打印技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。以變形為例，4D打印所使用的材料根據(jù)對不同刺激類型的響應(yīng)，可以分為熱響應(yīng)材料、光響應(yīng)材料、電響應(yīng)材料、濕度響應(yīng)材料以及磁響應(yīng)材料等。熱響應(yīng)材料的變形主要由材料的形狀記憶效應(yīng)或形狀變化效應(yīng)驅(qū)動;光響應(yīng)材料以及電響應(yīng)材料通過吸收光線或電流的能量并將其轉(zhuǎn)化為熱量導(dǎo)致形變，從而實現(xiàn)材料對光或電的間接響應(yīng);濕度響應(yīng)材料采用具有極高親水性的聚合物材料，通過吸收水分使自身體積膨脹實現(xiàn)變形;磁響應(yīng)材料是將納米磁性顆粒與其他材料相結(jié)合形成，因而能夠?qū)Υ艌鲎兓鞒鲰憫?yīng)。

4D打印所采用的成型技術(shù)目前主要有粘合劑噴射打印、熔融沉積成型、直寫成型、立體光刻成型等，這些成型技術(shù)源于3D打印，現(xiàn)已在4D打印領(lǐng)域取得了一定應(yīng)用。

粘合劑噴射打印是一種非接觸式打印技術(shù)，通過噴射細(xì)小的粘合劑液滴成型結(jié)構(gòu)，具有成型精度高、生物相容性好的特點，已在活細(xì)胞生物打印以及空間可調(diào)濾波器的4D打印中得到了應(yīng)用。

熔融沉積成型技術(shù)采用噴嘴將熔融狀態(tài)的熱熔性材料逐層堆積固化成型，具有工藝簡單、成本低的優(yōu)勢，已成功應(yīng)用于自折疊、自卷曲超材料的4D打印。

直寫成型技術(shù)采用高壓噴嘴噴射粘彈性材料使其沉積成型，目前采用紫外光輔助的直寫成型技術(shù)應(yīng)用于可伸縮、自愈合形狀記憶材料的制造。由于彈性體材料具有自愈合的特性，該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用前景廣闊。

立體光刻成型技術(shù)采用激光逐層將材料聚合成型，具有打印精度高、材料選擇多樣等優(yōu)勢，是目前形狀記憶聚合物最常用的打印方法之一。

4D打印技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

4D打印作為一項新興技術(shù)，目前正處于快速發(fā)展階段，國際上針對4D打印技術(shù)的研究主要圍繞4D打印材料的拓展、成型技術(shù)的創(chuàng)新、設(shè)計工具的開發(fā)等方面開展，并已取得了一定的成果。

4D打印材料種類不斷拓展，功能更加多樣。新型材料是4D打印中的關(guān)鍵要素之一，應(yīng)用于4D打印的材料需要在環(huán)境改變的條件下實現(xiàn)自變形、自組裝、自適應(yīng)等多種功能。因此，材料的拓展成為4D打印技術(shù)的重要研究方向之一。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，目前4D打印材料的種類已經(jīng)從水凝膠等聚合物材料擴(kuò)展至復(fù)合材料、有機材料以及陶瓷材料等。

麻省理工學(xué)院研發(fā)出的可編程木材可隨溫度和濕度變形

2014年，麻省理工學(xué)院的研究人員研發(fā)出了更多種類的4D打印材料，包括木材、碳纖維、紡織復(fù)合材料、橡膠，這些材料進(jìn)一步拓展了4D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。

2018年8月，香港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊采用聚合物和陶瓷納米粒子開發(fā)出新型“陶瓷墨水”，并以此打印出柔韌、可拉伸的陶瓷前體，克服了陶瓷前體通常難以變形的限制，最終在熱處理的作用下得到堅固的陶瓷，首次實現(xiàn)陶瓷材料的4D打印以及復(fù)雜折疊結(jié)構(gòu)陶瓷的制造。這項新技術(shù)具有低成本、機械穩(wěn)定性高、可自主變形等優(yōu)點，有望應(yīng)用于航空航天推進(jìn)部件、空間探索設(shè)備、電子設(shè)備和高溫微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域。

4D打印制作出的裝置可通過提升溫度實現(xiàn)抓取功能

4D打印成型技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，應(yīng)用領(lǐng)域多方面發(fā)展。在4D打印技術(shù)中，采用合適的方式使打印出的智能材料能夠按照設(shè)計預(yù)期實現(xiàn)自組裝、自愈合、自變形等功能，也是不可忽視的一個環(huán)節(jié)。新型材料的不斷拓展帶來了更多成型方面的挑戰(zhàn)，而先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)則需要實現(xiàn)多材料的同步精確打印，因此成型技術(shù)的推陳出新成為了4D打印研究中的一個熱門問題。

2016年8月，麻省理工學(xué)院使用微立體光刻打印技術(shù)，首次實現(xiàn)了微米尺度可變形材料的4D打印，打印出的產(chǎn)品即使受到極端壓力或扭轉(zhuǎn)彎曲，只要將其置于適宜的溫度下，即可在幾秒鐘內(nèi)恢復(fù)原狀。研究人員采用該技術(shù)制造出一種小型夾持裝置，其在常溫狀態(tài)下處于張開狀態(tài)，升溫后轉(zhuǎn)變?yōu)閵A緊狀態(tài)，借此實現(xiàn)抓取功能。該技術(shù)未來有望在航空航天結(jié)構(gòu)件、太陽能電池、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

2018年6月，美國弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種集成樹脂輸送的多材料可編程增材制造技術(shù)，該技術(shù)具有樹脂現(xiàn)場混合、輸送和轉(zhuǎn)換功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)自清潔，可以進(jìn)行微尺度多材料增材制造，并避免了不同材料間的交叉污染。該技術(shù)開辟了4D打印向微尺度發(fā)展的道路。

4D打印設(shè)計軟件研發(fā)支撐創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計。4D打印技術(shù)直接將設(shè)計內(nèi)置到材料中，簡化了從設(shè)計理念到實物的制造過程。但是這種制造方式同時也為設(shè)計工作帶來了新的挑戰(zhàn)，設(shè)計人員需要提前預(yù)測材料在不同條件下的反應(yīng)，并以此為基礎(chǔ)開展設(shè)計工作，因此4D打印軟件應(yīng)運而生。

Cyborg軟件模擬4D打印過程中的實際形變

Autodesk公司開發(fā)出名為Cyborg的設(shè)計工具軟件，能夠用于優(yōu)化4D打印設(shè)計。該軟件通過相互耦合的軟硬件工具進(jìn)行模擬，取代了傳統(tǒng)模擬軟件先模擬再構(gòu)建或者先構(gòu)建再調(diào)整模擬的模式，能夠模擬4D打印過程中的實際形變，并允許使用者創(chuàng)建專用設(shè)計平臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室研發(fā)出名為Foundry的軟件，可以幫助設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計需要，為3D數(shù)字模型的不同部位分配不同材料，從而輕松實現(xiàn)多材料3D打印，為4D打印的設(shè)計工作提供了支撐。

4D打印技術(shù)軍事應(yīng)用前景

由于4D打印技術(shù)在產(chǎn)品的制造、裝配、儲存、周轉(zhuǎn)等環(huán)節(jié)具備其他制造技術(shù)所難以比擬的優(yōu)勢，并且可以實現(xiàn)許多特殊功能，具備產(chǎn)生新一輪技術(shù)變革的潛力，因此得到軍方的持續(xù)支持。經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，4D打印技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)開始在國防軍事和航空航天領(lǐng)域初現(xiàn)端倪，據(jù)市場分析機構(gòu)預(yù)測，到2025年，國防和航空航天應(yīng)用將占到4D打印技術(shù)市場份額的50%以上，將成為4D打印技術(shù)最大的應(yīng)用方向。

NASA開發(fā)的“太空織物”

4D打印材料、技術(shù)、應(yīng)用及發(fā)展方向

2013年，美國陸軍研究辦公室資助匹茲堡大學(xué)、哈佛大學(xué)以及伊利諾伊大學(xué)的研究人員研發(fā)4D打印材料，希望通過4D打印材料的突破，促使改變汽車涂料適應(yīng)潮濕環(huán)境或堿性道路，改變士兵制服的通透性以抵御毒氣或彈片，制造可隨周圍環(huán)境改變顏色的偽裝設(shè)備和能實現(xiàn)自組裝的武器。

2017年，美國國家航空航天局（NASA）采用4D打印技術(shù)制造出一種“太空織物”，這種織物具備兩種不同的特性：光滑的塊狀金屬表層可以反射陽光，內(nèi)部結(jié)構(gòu)則能夠有效吸收陽光的熱量，織物中復(fù)合材料在溫度的作用下膨脹收縮，使金屬表層展開或關(guān)閉，從而使織物具備自適應(yīng)溫度調(diào)控能力。

2018年，美國陸軍士兵納米技術(shù)研究所（ISN）采用含有磁性微粒的彈性體復(fù)合材料，打印出一種有望在復(fù)雜戰(zhàn)場地形以及狹窄空間中靈活爬行、翻滾、跳躍、抓取物體、遞送藥物的柔性機器人;美國陸軍研究工程中心也正在積極開展4D打印技術(shù)研究，希望研制出能夠抵御毒氣的制服、可隨周圍環(huán)境改變顏色的偽裝設(shè)備以及能實現(xiàn)自組裝功能的武器。

未來，隨著智能材料、智能設(shè)計等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展成熟，4D打印在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛深入。

基于4D技術(shù)有望發(fā)展出能夠快速打印并直接投入使用的高性能無人機或機器人，實現(xiàn)武器裝備的現(xiàn)場制造;有望設(shè)計出能夠根據(jù)飛行條件自動改變氣動外形的機翼，增強武器裝備的使用性能;有望制造出無需人工組裝且節(jié)省運輸空間的武器裝備，改善武器裝備的后勤保障。最終4D打印技術(shù)將變革傳統(tǒng)武器裝備的制造使用流程以及后勤保障模式，使武器裝備發(fā)揮更強的作戰(zhàn)效能。

責(zé)任編輯：葛??妍