4D打印：梦想照进现实

李岩

首都经济贸易大学博士研究生。主要研究领域为创客教育、3D打印和虚拟现实技术。2014年9月开始从事三维设计与3D打印的教学与研究工作，东城区教师研修中心三维设计核心专家组成员。2015年10月起负责虚拟现实系统的应用和课程开发，探索虚拟现实技术与3D打印课程和基础课程的跨学科融合。承担的课题有《中学生创客教育中3D打印技术的应用》《基于虚拟现实技术的3D打印交互式教学模式探究》等。

作为当下风头正劲的前沿技术之一，3D打印已经经历了从概念到流行、从流行到产业化的阶段。汽车、房子、飞机零件、假肢甚至是人体器官，一时间世界上任何东西仿佛都可以通过3D打印机打印出来。当人们还沉浸在3D打印技术的神奇时，在美国的TED大会上，来自麻省理工学院（MIT）的蒂比茨团队已经向世人展示了其4D打印的初步技术。

4D打印的概念与原理

何为 4D 打印？麻省理工学院的研究员斯凯勒·蒂比茨通过一个实验，向我们展示了这种新一代打印技术。在演示中，他将一段绳状物放入水中， 该物体能自动折成MIT字样的立体结构。4D打印就是在3D打印的基础上增加了时间维度T，是可编程材料实现自我构建和重组装的技术。即在3D打印过程中，在预先设定的部位内置入智能材料。打印完成后，将产品置于特定的环境中，智能材料在外界环境的作用下发生物理或化学变化，导致产品形状、强度等发生改变，最终按照产品设计，折叠成相应形状。正如斯凯勒·蒂比茨所言：“4D打印技术就是把智慧植入到材料中去”。

4D打印的核心技术

1.可编程材料（Programmable Matter，PM）

4D打印技术的关键更多地是依赖智能材料，而非打印技术。它所需要的并非一般的普通材料，而是带有记忆功能的智能材料，是一种能够感知外部刺激，如水、光、电磁场等，将传感、控制和驱动三种功能集于一身，并能够通过判断而进行自我变形、组裝的新型功能材料。该材料不仅具备3D打印材料的可打印性，还要具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我变形能力、自我组装能力、自我诊断能力、自我修复能力和超强适应能力，以及快速响应的变形组装能力。现阶段，4D打印所需要的材料一般包括电活性聚合物（EPA）、形状记忆材料（SMM）、压电材料、电磁流变体、磁致伸缩材料等。

2. 触发变形的“催化剂”

除了智能材料外，4D打印还有另一项非常关键的决定性因素，即要有能够触发4D打印产品自我组装或自我变形的“催化剂”。这些“催化剂”不仅仅包括水，根据不同的智能材料，还可能包含光、热、声音、震动、气体，甚至是电磁场。也就是说，通过软件设定好模型后，在特定环境下，无需人为干预，无需额外提供能量，4D打印生产的智能产品便可按照事先的设计，在规定的时间内进行自我组装。

3. 增材制造技术

增材制造技术，又称快速成型技术，是近20年来信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术。增材制造依据三维设计数据逐层累加材料的方法制造实体零件。其制造原理是材料逐点累积形成面，之后逐面累积成为体。增材制造技术作为3D打印技术的核心技术，目前已经发展成熟。基于此技术的各种打印材料也是层出不穷。ABS、PLA、石蜡等打印耗材是目前最为流行的材料，而用于食品3D打印的，例如，3D打印巧克力和3D打印煎饼等也是应用此技术。

4D打印的应用设想

4D打印能够打印出随时间变化而改变的物体。如此一来，未来产品的属性和工艺就将发生根本变革，产品也将会以一种全新的方式出现在人们面前，可以根据使用者的需求做出相应的调整。另外，产品的适应性会更加突出，不仅能够感知环境的变化进行自我重新配置，还能够在产品出现故障或受损时进行自我修复，以重新满足用户的需求。

根据4D打印的特点，目前初步设想应用于以下几个领域。但可以肯定的是，4D打印的应用远远不止这些。

1. 军事领域

美国军队已经将3D打印技术应用于军事设施和装备中，成功地打印出军工零件，且应用的规模和兵种正在不断扩大。可以想象，未来采用4D打印技术制造出的零部件可实现自行装配。大型作战武器平台可使用4D打印进行生产，在受到敌人攻击受伤后，很快可以将损坏的部件拆除，安装上再生后的部件，从而实现自行修复的效果。

2. 公共领域

4D打印在公共领域中的应用也是具有广泛前景的。城市中的公共服务设施往往设计复杂、结构庞大，且造价昂贵。如果某一部分受损或需要重新调整，传统的做法就是大兴土木，耗费大量的人力和物力进行旷日持久的改造。随着4D打印技术的出现和成熟，在公共设施的设计和建造过程中使用4D打印材料，可以通过不同的触发来改变部件的形状和尺寸，在部件损坏时，还可以根据对环境变化的感知，及时地进行自我修复，大大减少了时间成本和人力消耗。

3. 医疗领域

如今，3D打印技术已经广泛应用于医疗领域。人造器官、人造假肢、人造骨头等医学案例令人称奇。4D打印出现后，将在医疗领域发挥更大的作用，从而极大地降低医疗成本，减轻患者病痛。借助于4D打印技术，在为病人安装心脏支架时无需做开胸手术，只需向血液循环系统中注射入携带设计方案的智能材料，待其到达心脏指定部位后自行组装成支架即可。

除此之外，4D打印技术还可用于治疗癌症和更换受损的软组织。在抗癌药物研发的过程中，可将癌细胞设置为触发“抗癌物”变形的催化剂。当“抗癌物”遭遇癌细胞时，可以自动触发变形，直接将癌细胞吞噬，并自行分解随人体代谢排出体外。在更换受损的软组织时，4D打印的植入物可随人体内的实际情况来进行变化，从而最大限度地减少人体排斥的不良反应。

4D打印发展的障碍

3D打印的发展虽然迅速，但至今仍未普及。核心问题是打印设备的技术与打印材料的单一两方面。4D打印作为新生技术同样会面临技术环节的制约，主要瓶颈大致有三个方面。

首先是打印机硬件的制约。4D打印技术要想迅速发展，打印机的尺寸和价格是最重要的因素。从目前的发展方向来看，打印机应向大型化和小型化发展。一方面打印大型构件需要大型的4D打印机，这就使得打印机的价格必然会十分昂贵；另一方面，4D打印的普及需要进入家庭，而如何做到小型化的同时保证打印精度还需要走很长的一段路。

其次是打印材料的制约。与3D打印相类似，打印材料也是制约4D打印发展的瓶颈之一。由于4D打印加入了时间维度，因此对于打印材料的要求更为复杂。4D打印的材料是带有记忆的智能材料，它能够感知外部环境的刺激，并具有能够进行自我变形和自我更新的特性。未来如何开发出更加简单和低价的打印材料是4D打印技术亟待解决的问题。

最后是设计软件的制约。用于3D打印的三维设计软件种类繁多，但3D打印软件却只有少数几种。4D打印之所以能够通过介质触发，从而在特定的时间和环境下进行自我变形和更新，除了材料本身与打印技术之外，另外一个关键要素就是软件的设计，也就是通过对打印材料的设计，将变形要素直接设计在打印材料中。因此，如何专业化地让用户“傻瓜式”地操作是影响4D打印普及的重要因素。

结束语

如今，我们已经真切的体验到3D打印带来的精彩与便捷。接下来，我们必将张开怀抱迎接4D打印时代的到来。随着资本的注入和技术的快速发展，制约4D打印发展的诸多问题和瓶颈将很快得到有效解决，这也必将引领新一轮的制造业变革。4D打印将会给人类社会的发展带来深刻的变化与影响，将人类的梦想变为现实。

（作者单位：北京市第六十五中学）