4D打印更“智能”

鄭昌興 趙輝 嚴明

近日，西安交通大學研究團隊開發(fā)出了一種新的4D打印材料。這種材料具有優(yōu)異的自修復性、重塑性，可應用于機器人、智能警報器、生物植入體等產(chǎn)品的設計與制造。

4D打印實現(xiàn)的構件展現(xiàn)出聰慧的自適應、自組裝，甚至是自修復能力，展現(xiàn)出在生物醫(yī)學、生產(chǎn)制造、航空航天等領域的巨大潛力，受到了越來越多人的關注。

3D打印方興未艾，4D打印已撲面而來。

4D打印，增加的不只是一個“D”

北京環(huán)球影城的“形象大使”威震天，雖然只是科幻電影中的虛擬形象，但這一可根據(jù)需要變形的機器人，喚起一代人的童年記憶，一經(jīng)推出即圈粉無數(shù)。相信很多孩子都有過這樣的想象——拐杖可在下雨的時候自動變成雨傘，沙發(fā)能根據(jù)承載人的高矮胖瘦自動調(diào)整形狀，衣服可隨環(huán)境條件變化自動改變顏色……4D打印的出現(xiàn)，可能會將這樣的幻想變?yōu)楝F(xiàn)實。

2013年TED（Technology、Entertainment、Design）大會上，來自麻省理工學院的研究員斯凱拉·蒂比斯演示了一個神奇的實驗。他將3D打印制造出的多串繩狀PVC復合材料放入水中后，這種材料自動改變自身形狀，組成了麻省理工學院的縮寫字母“MIT”。以實驗的方式，研究人員將4D打印最直觀地展現(xiàn)在了人們面前。

在4D打印發(fā)展初期，人們普遍認為4D打印是在3D打印的基礎上增加了一個時間維度。即打印出的物體可以隨著時間的推移在形態(tài)結構上自我進行調(diào)整，最終自動達到預先設計要求。

然而，4D打印比3D打印不只是增加了一個“D”（Dimension，維度）。

隨著研究的持續(xù)推進，科學家認為，4D打印的概念至少應該包括兩個方面：一是它在3D打印基礎上增加了新的時間維度，同時空間維度也得到進一步拓展，增強了打印構件隨時空變化的能力；二是在外界特定環(huán)境條件的刺激下，4D打印不僅能夠制造形狀發(fā)生可控變化的構件，也能夠制造性能、功能發(fā)生可控變化的構件。

4D打印之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種神奇的效果，關鍵在于它以智能材料作為主要原料。4D打印生成的產(chǎn)品在特定環(huán)境（比如水、熱、電、光、磁等）和交互機制作用下，能夠形成具有智能動態(tài)結構特征的產(chǎn)品——這與以普通材料作為原料、輸出靜態(tài)結構產(chǎn)品的3D打印有著很大的不同。因此，4D打印也被認為是智能材料的3D打印。

4D打印的太空織物（圖源：《解放軍報》）

可用作航天發(fā)動機材料的4D打印陶瓷（圖源：《解放軍報》）

4D打印生成的產(chǎn)品變化并非隨機的，而是在研究人員預先的“編程”控制下,通過“編程”將設計融入智能材料，實現(xiàn)設計與制造的一體化，從而簡化了從設計理念到實物的創(chuàng)造過程。4D打印將“程序化”的造物方式變成了現(xiàn)實，因此有人說，3D打印的產(chǎn)品是“死”的，而4D打印的產(chǎn)品是“活”的。

風勁揚帆正當時

隨著人類社會闊步向智能化時代邁進，4D打印技術恰逢其時，它與智能材料相互促進、共同發(fā)展，已經(jīng)在眾多領域顯示出良好的應用發(fā)展前景。

在生物醫(yī)學領域，4D打印技術已在智能植入支架、藥物遞送裝置以及器官替代物等方面取得重要進展。

2021年年底，中國科學院蘭州化學物理研究所研究團隊設計開發(fā)出了一種新型水凝膠材料，成功實現(xiàn)4D打印血管支架，有望解決血管支架在體內(nèi)植入后難以再變形的問題；中國科學院沈陽自動化所研究團隊利用4D打印技術制造出了一款納米級軟體機器人，可以派它進入人體，進行藥物搬運和控釋；青島大學研究團隊研發(fā)出了一種4D打印干細胞載體，用這種“創(chuàng)可貼”把干細胞“貼上去”，就可以實現(xiàn)創(chuàng)面皮膚的快速再生修復……

在生產(chǎn)制造領域，4D打印技術呈現(xiàn)出另一個發(fā)展方向——打印出體積較小的物品，然后自行組裝為最終產(chǎn)品。

美國卡內(nèi)基梅隆大學研究團隊開發(fā)出了一款特殊的4D打印代碼。這種代碼可以使得成品在加熱后按照預先設定好的規(guī)律折疊。打印出的成品看上去只是一片普通的塑料板，但是加熱后，它就會變成花朵、椅子等不同形狀。這項技術為制造業(yè)提供了一種可能，利用4D打印技術制造軟件進行原形設計，打印后產(chǎn)品可根據(jù)實際需要，在特定時間或特定環(huán)境下自動組裝成最初設定的形狀，從而大幅降低產(chǎn)品的制造以及存儲、運輸成本。

在航空航天領域，4D打印技術的應用可降低部件結構的復雜度、減少成本、提高航空航天器的性能。

比如4D打印的折疊式衛(wèi)星天線，在發(fā)射前將其加熱至特定溫度以上，揉成團狀放入發(fā)射裝置中，再冷卻固定形狀；進入運行軌道后，利用太陽能加熱天線，天線能夠恢復到原始形狀并正常工作。這種衛(wèi)星天線可實現(xiàn)復雜的空間結構，同時也能實現(xiàn)合理利用衛(wèi)星空間、顯著降低發(fā)射成本。

此外，4D打印的智能材料還可以更好地適應外太空的惡劣環(huán)境，我國“祝融號”火星車在火星展示的中國國旗，就是由哈爾濱工業(yè)大學自主研制的形狀記憶聚合物材料制成。它可在火星低溫、高輻射的惡劣環(huán)境中自主展開并保持狀態(tài)穩(wěn)定。

軍事應用尤可期

4D打印技術在軍事領域的應用尤為值得關注。2022年8月，聯(lián)合市場研究公司（Allied Market Research）報告顯示，預計到2040年全球軍用4D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達6.734億美元。美國市場觀察網(wǎng)站報道也指出，軍用3D和4D打印市場預計在2022—2031年期間的復合年增長率將超過10%。由此可以看出，4D打印技術對國防戰(zhàn)略的重要性。

自適應偽裝作戰(zhàn)服是軍事領域探索應用增材制造技術較早的項目之一。它可以實現(xiàn)像變色龍一樣隨環(huán)境變化自動調(diào)節(jié)自身顏色以增強偽裝效果。隨著4D打印技術的出現(xiàn)和智能材料的發(fā)展，這種作戰(zhàn)服的偽裝功能正在得到進一步提升，或可在隱蔽作戰(zhàn)方面對未來戰(zhàn)場產(chǎn)生革命性影響。

利用4D打印技術設計制造的武器裝備構件，能夠在瞬息萬變的戰(zhàn)場條件下實現(xiàn)結構和功能的相應變化，從而提升環(huán)境適應性、優(yōu)化性能、降低成本。美國國家航空航天局基于4D打印技術提出一種未來智能變體飛機的設計構想——這一飛機的外形可隨外界環(huán)境進行自適應變化，比如改變展長、優(yōu)化升阻比以增大航程和航時，改變機翼彎度以增強飛機的機動性等，從而獲得更好的作戰(zhàn)性能。加拿大的研究人員也在利用4D打印技術為無人機開發(fā)一種新型的自適應柔性機翼，這將使無人機的機翼飛行效率更高、制造成本更低。

4D打印的自組裝能力同樣在軍事領域有著廣泛的適用性。野營帳篷、單兵救生艇、戰(zhàn)場救護支架等裝備在打印后，可呈壓縮或者折疊狀態(tài)以便于存放，使用時再自動展開成預先設計的形狀。這樣大大簡化了組裝的步驟和過程，減少了裝配零件的成本，也更便于攜帶和運輸。

作為一種正處于快速上升趨勢的新型增材制造技術，4D打印實現(xiàn)了新材料、新工藝、新機理的組合創(chuàng)新運用，推動了“材料-結構-功能”的一體化動態(tài)設計制造，促進了制造方式向智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。盡管它還面臨智能材料種類與性能、打印工藝與裝備、智能構件的評測與檢驗等諸多方面的挑戰(zhàn)，但4D打印的美好未來依然可期。