智能材料4D打印技術(shù)賦能雕塑藝術(shù)創(chuàng)作

文/ 楊蘇妮、苗祥瑞 by Yang Suni,Miao Xiangrui（西南大學(xué)、西安交通大學(xué)）

一、4D打印技術(shù)的發(fā)展歷程

1.3D打印技術(shù)的出現(xiàn)

3D打印也被稱為增材制造技術(shù)，發(fā)端于20世紀(jì)80年代后期，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。3D打印技術(shù)具有快速成型任意復(fù)雜、個性化產(chǎn)品的能力，目前在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。在藝術(shù)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)使雕塑藝術(shù)創(chuàng)作的可提前預(yù)知性成為可能，同時使雕塑藝術(shù)創(chuàng)作尤其是寫實(shí)雕塑創(chuàng)作變得更加簡單、快捷、準(zhǔn)確，可以說3D打印技術(shù)從材料、工藝、認(rèn)知等多維度賦予了雕塑藝術(shù)新的表現(xiàn)語言。3D打印技術(shù)在雕塑藝術(shù)創(chuàng)作中的應(yīng)用已有較多文獻(xiàn)論述，近年來興起的智能材料4D打印技術(shù)在雕塑藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域及其對雕塑藝術(shù)的沖擊、影響和目前潛在的問題還有待學(xué)者探究。

2.4D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生

2013年2月26日，在美國加利福尼亞州舉行的TED2013會議上，來自麻省理工學(xué)院的S.Tibbits等研究者將3D打印的水凝膠線狀材料置于水中，隨著時間的推移，材料在形狀上發(fā)生改變，就此，4D打印概念應(yīng)運(yùn)而生①，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

4D打印是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了時間維度，是3D打印和智能材料結(jié)合產(chǎn)生的一種新的制造技術(shù)。4D打印的產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)的形狀、功能、性能、質(zhì)地、色彩等在外部環(huán)境刺激（如光、電、熱、PH、磁場等）下會隨著時間的推移而改變，相比于3D打印結(jié)構(gòu)具有自組裝、自適應(yīng)、自變形、自感知等特性②。4D打印與3D打印技術(shù)大致相同，只是在材料、工藝上有所區(qū)別。迄今，4D打印技術(shù)利用的材料主要有形狀記憶高分子、形狀記憶合金、液晶彈性體和水凝膠等智能材料③。例如：哈佛大學(xué)的Lewis等采用4D打印技術(shù)創(chuàng)造了水凝膠“花瓣”作品④（圖1）所示，在溶劑作用下該作品材料各向異性膨脹，內(nèi)部力學(xué)失配發(fā)生變形，作品可以“逼真”地再現(xiàn)花瓣的動態(tài)變化；新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)Ding等學(xué)者采用形狀記憶聚合物4D打印技術(shù)打印了“花朵”作品⑤（圖2A），在外部光（或熱）刺激作用下，打印的“花朵”可以在開放和閉合之間循環(huán)切換，仿佛一朵有“生命”的花；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Cao等學(xué)者采用彈性材料與磁性顆粒結(jié)合4D打印制作了一只蝴蝶形狀的作品⑥，通過控制電磁鐵產(chǎn)生變換磁場，作品展現(xiàn)“翩翩起舞”姿態(tài)（圖2B）。利用智能材料4D打印技術(shù)的獨(dú)特特性進(jìn)行創(chuàng)作，可以讓藝術(shù)家突破技術(shù)、材質(zhì)等的限制，充分發(fā)揮想象，自如地創(chuàng)造出極具個性的雕塑藝術(shù)作品。同時，4D打印的雕塑作品擁有動態(tài)、智能、多變和獨(dú)特個性的新型藝術(shù)表現(xiàn)形式，可稱之為“智能雕塑”。相比于3D打印，4D打印的“智能雕塑”不呆板、不僵硬，富有生命、情感和靈氣，展現(xiàn)出前所未有的雕塑語言魅力和表現(xiàn)形式。目前4D打印在雕塑藝術(shù)創(chuàng)作中的應(yīng)用已經(jīng)引起了國內(nèi)外藝術(shù)家的關(guān)注和注意⑦，藝術(shù)家們稱之為藝術(shù)的新“生命力”或者藝術(shù)材料的“智能覺醒”。那么，4D打印如何賦能雕塑藝術(shù)創(chuàng)作？

圖1 4D打印水凝膠“花瓣”作品隨時間推移形態(tài)演化

圖2 4D打印技術(shù)創(chuàng)作的作品：（A）盛開的花和（B）起舞的蝴蝶

二、4D打印技術(shù)賦能雕塑藝術(shù)創(chuàng)作

1.拓展創(chuàng)作方法

目前智能材料4D打印技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用在藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域。如美國Nervous System Studio早在2014年就打印了世界上首件“智能裙”作品，這是一件由三角形和連接點(diǎn)組成的布料纖維裙，它可以根據(jù)穿戴者的體形進(jìn)行自我塑型，同時還能夠自適應(yīng)環(huán)境變化，使之完美地貼合穿戴者的身體；巴西藝術(shù)家G.Requena采用傳感器捕捉人的情緒，并將其轉(zhuǎn)為數(shù)字模型，最后利用智能材料4D打印技術(shù)創(chuàng)作了首件帶有人類愛之情感的藝術(shù)品⑦。4D打印技術(shù)的發(fā)展拓展了藝術(shù)家的創(chuàng)作手段，使現(xiàn)代雕塑藝術(shù)創(chuàng)作擺脫了傳統(tǒng)雕塑創(chuàng)作方式的束縛，藝術(shù)家們可以利用跨學(xué)科的創(chuàng)新方法或創(chuàng)作技法進(jìn)行創(chuàng)作，從傳統(tǒng)雕塑繁瑣的制作模式中解放出來，把繁雜的實(shí)現(xiàn)過程交給科技（如4D打印），讓藝術(shù)家將更多的時間投入到思考藝術(shù)創(chuàng)作上。傳統(tǒng)的雕塑材料通常是黃土、油泥、石頭、木頭等材料，這些材料在創(chuàng)作時需要藝術(shù)家大量的體力和精力投入，而4D打印技術(shù)則將這一過程交給了計(jì)算機(jī)和機(jī)械設(shè)備，無需投入大量的體力。此外，4D打印技術(shù)還可以縮短雕塑作品制作的時間和實(shí)現(xiàn)作品效果的預(yù)先研判，藝術(shù)家可以利用4D打印快速成型的特性，快速制作出作品，實(shí)際感受作品的表達(dá)效果，以便后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)。作為21世紀(jì)的藝術(shù)創(chuàng)作者，需要創(chuàng)新發(fā)展符合時代發(fā)展的藝術(shù)道路，僅靠精湛的泥塑能力是不夠的，還需要跟隨時代發(fā)展，掌握新的技術(shù)和技能，并將其應(yīng)用到作品創(chuàng)作中來。藝術(shù)家也可以將4D打印技術(shù)與傳統(tǒng)泥塑手段結(jié)合，充分發(fā)揮4D打印在時間維度的技術(shù)特性。

2.豐富雕塑語言

雕塑藝術(shù)作為一種創(chuàng)作方式多元化的藝術(shù)，可以利用4D打印技術(shù)在藝術(shù)作品中實(shí)現(xiàn)作品的動態(tài)化展示，賦予作品新的功能、特性、形式等屬性，從而增添作品的趣味性和吸引力。在利用4D打印技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作時，相較于藝術(shù)家使用各種傳統(tǒng)泥塑工具，創(chuàng)作者需要轉(zhuǎn)變創(chuàng)作思路，根據(jù)4D打印的技術(shù)特性進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作，并充分發(fā)揮打印技術(shù)特點(diǎn)（自變形、自組裝、自適應(yīng)等）在雕塑藝術(shù)創(chuàng)作中的優(yōu)勢，創(chuàng)作出更多傳統(tǒng)泥塑手法無法得到的作品，展現(xiàn)出新技術(shù)在藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域的獨(dú)特魅力。比如采用不同的打印材料（如高分子聚合物、水凝膠、記憶材料）和刺激形式可以帶來不同的表達(dá)效果；采用不同的打印工藝可以獲得不同的紋理、結(jié)構(gòu)特征等。新西蘭藝術(shù)家Nicole Hone采用水凝膠材料4D打印技術(shù)，充分利用水凝膠材質(zhì)特性，創(chuàng)作了未來水生植物系列作品《Hydrophytes》，（圖3）所示，該作品將植物纖細(xì)的紋理結(jié)構(gòu)、柔軟透明的質(zhì)地展現(xiàn)得淋漓盡致，同時作品具有生命的動態(tài)特性。然而在傳統(tǒng)泥塑中因?yàn)椴牧喜痪呷犴g、透明等特質(zhì)，很難達(dá)到真實(shí)植物葉片的效果，而采用4D打印技術(shù)效果更勝一籌。此外，4D打印技術(shù)可以將數(shù)字雕塑和互動媒體裝置等結(jié)合起來表現(xiàn)復(fù)雜或抽象的藝術(shù)作品，可以將過去“死”的雕塑轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎睢钡闹悄艿袼堋?/p>

圖3 Nicole Hone的未來水生植物系列作品《Hydrophytes》

采用何種表現(xiàn)形式更好地表達(dá)藝術(shù)作品是創(chuàng)作的關(guān)鍵，即使是同一件作品，運(yùn)用不同的制作技術(shù)、不同的材料等呈現(xiàn)的藝術(shù)作品形式、藝術(shù)作品價值不盡相同。4D打印材料的物理形態(tài)、化學(xué)性能等方面的千差萬別，使雕塑材料、雕塑語言、藝術(shù)精神、表現(xiàn)手法得到了豐富，尤其是在裝飾雕塑和抽象雕塑方面，4D打印技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)創(chuàng)作的限制，賦予雕塑藝術(shù)全新的充滿時代特征的生命力，從而孕育出新的雕塑語言、雕塑形式。

三、4D打印技術(shù)在雕塑創(chuàng)作中面臨的問題

4D打印雕塑的核心是將傳統(tǒng)雕塑作品數(shù)字化、動態(tài)化、智能化，它可以幫助解決傳統(tǒng)雕塑模具翻制等煩瑣的問題，它可以使傳統(tǒng)僵硬的雕塑變得靈動、智能、有生命力，呈現(xiàn)與科技相結(jié)合的藝術(shù)美。但目前4D打印技術(shù)的研究正處于發(fā)展階段，技術(shù)工藝成熟度有待進(jìn)一步提高⑧，4D打印用的智能材料也比較少且昂貴。目前主流使用的材料有形狀記憶高分子、形狀記憶合金和水凝膠等智能材料，這些材料配方比較復(fù)雜，這也意味著藝術(shù)家們需要具備更高的科技水平和技術(shù)能力，才能夠?qū)⒅悄懿牧?D打印技術(shù)應(yīng)用于雕塑藝術(shù)創(chuàng)作中。另外，4D打印技術(shù)必須依賴外界刺激源，目前廣泛使用的刺激源有光、熱、電、磁、PH、水、溶劑等，這些刺激形式必然會影響雕塑藝術(shù)的展示，這需要藝術(shù)家們具備更高的創(chuàng)造性和想象力，才能夠充分發(fā)揮智能材料4D打印技術(shù)的潛力，創(chuàng)造出更加復(fù)雜和多樣化的作品。此外，常用的4D打印用形狀記憶類材料記憶的形狀相對比較簡單且變形時間短暫，難以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的形狀創(chuàng)作，對于實(shí)現(xiàn)“隨心所欲”的藝術(shù)創(chuàng)作還有一定的難度，亟需通過藝術(shù)、材料、機(jī)械、制造等多學(xué)科的交叉融合來進(jìn)行攻克。當(dāng)下，科學(xué)與藝術(shù)之間還存在嚴(yán)重的壁壘，科學(xué)家和藝術(shù)家在思維上存在較大差異，這一差異也是4D打印技術(shù)在藝術(shù)發(fā)展中面臨的問題。

四、結(jié)語

4D打印獨(dú)特的技術(shù)特性，在創(chuàng)作理念、創(chuàng)作思維、表現(xiàn)形式上對雕塑藝術(shù)創(chuàng)作產(chǎn)生著較大的影響。4D打印將會催生雕塑創(chuàng)作的新范式（智能化、多元化、多樣化），并豐富雕塑表現(xiàn)形式與雕塑語言，推動傳統(tǒng)雕塑的發(fā)展。同時，雕塑藝術(shù)也將拓展4D打印技術(shù)的應(yīng)用空間，二者相互促進(jìn)。誠然，目前4D打印技術(shù)仍處于蓬勃發(fā)展階段，打印材料、工藝和刺激方式都不成熟。隨著新技術(shù)的不斷創(chuàng)新研究，未來4D打印技術(shù)將會影響雕塑藝術(shù)創(chuàng)作的形式和表現(xiàn)手法。作為藝術(shù)創(chuàng)作者應(yīng)當(dāng)敏銳洞察新技術(shù)帶來的革命性進(jìn)步，看到新技術(shù)為藝術(shù)創(chuàng)作發(fā)展帶來的新方向，在傳統(tǒng)雕塑創(chuàng)作的基礎(chǔ)上嘗試新的表現(xiàn)語言，為雕塑藝術(shù)創(chuàng)作帶來新的探索。

注釋：

①S.Tibbits.4D printing: multi-material shape change[J].Archit.Design,2014,84(1),116-121.

② F.Momeni,M.M.H.N.Seyed,X.Liu,et al.A review of 4D printing[J].Mater.&Des.,2017,122,42-79.

③趙先鋒,湯朋飛,史紅艷等.4D打印技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2021,49(03),34-46+54.

④ A.S.Gladman,E.A.Matsumoto,R.G.Nuzzo,et al.Biomimetic 4D printing[J].Nat.Mater.,2016,15(4),413-418.

⑤ Z.Ding,C.Yuan,X.Peng,et al.Direct 4D printing via active composite materials[J].Sci.Adv.,2017,3(4),e1602890.

⑥ X.Cao,S.Xuan,S.Sun,et al.3D printing magnetic actuators for biomimetic applications[J].ACS Appl.Mater.Interfaces,2021,13(25),30127-30136.

⑦ 譚力勤.4D打印藝術(shù)中的智能覺醒[J].畫刊,2019(11),78-82.

⑧ X.Kuang,D.J.Roach,J.Wu,et al.Advances in 4D printing: materials and applications[J].Adv.Funct.Mater.,2019,29(2),1805290.