制造变形物的4D打印技术

周末，小先锋们相邀去书店为自己买些新书。

一进门，小灵通就被门口杂志架上的一本杂志封面给吸引住了，他指着杂志上的图片对小伙伴说：“你们快看这个图片。”

“小灵通，你是要我们欣赏图片中模特的舞姿吗？”小粗心有些不解地问。

小灵通向他们解释道：“不是，你们看上面的标题——首件4D打印连衣裙问世。这条裙子是打印出来的！”

小好问说：“4D？跟3D打印有什么不同啊？”

“我也不清楚，杂志里也没说，咱们还是去找关主吧，他肯定知道。”小灵通提议说。

于是小先锋们改变了原来的计划，朝关主家走去。

四维设计

一看到奥秘精灵，小灵通就把此前在杂志上看到的新闻告诉了他。

弄懂了小先锋们的来意后，奥秘精灵说：“原来你们也看到了那则新闻。我最近正关注这项技术，既然你们有兴趣，那咱们就好好探究一番吧。”

小好问着急地问：“奥秘精灵，这4D到底比3D多了哪个D啊？”

“小好问，你别急。在回答你的问题之前，你们先告诉我3D包括哪三个维度，看看之前学的知识你们还记不记得。”

小粗心抢先说：“长、宽、高呗！”

小灵通：“我有复习。3D就是空间的概念也就是由X、Y、Z三个轴组成的空间，是相对于只有长和宽的平面而言。”

小好问：“换句话说，3D就是立体的。”

【关主释答】

很好，看来大家都有巩固前面所学的知识。3D是指三个维度、三个坐标，物理上的三维一般指长、宽、高，就是小灵通所说的由X、Y、Z三个轴组成的空间。而你们今天想知道的4D呢，则是在此基础上再加入了一个维度，即爱因斯坦提出的时间维度。

其实4D这个词不是最近才有的，现在不是就有4D电影吗？它是在原有3D立体显示基础上由单一空间上的立体显示进行升级，使观众在观看电影时能够获得视觉、听觉、触觉、嗅觉等全方位感受。而所谓4D打印，就是在3D打印的基础上增加了时间纬度，其本质就是利用复合材料进行3D打印，并使打印出来的物体增加一项功能，那就是变形。正如你们在杂志上所看到的那条连衣裙，就是运用“智能材料”以紧密方式打印并自动展开的裙子。科研人员通过扫描模特的身形，让裙子的样式能完美贴合模特的身形，并伴有一系列镶嵌元素。它通过3 316个连接点把2 279个打印块连在一起，感觉像是为模特量身定制的一样。

智能材料

小粗心开玩笑说：“哇，原来4D打印的东西会变形啊，那要是用来打印机器人不就成了名副其实的变形金刚了。”

“哈哈，没错。科研人员最初在展示这一技术时，将一种新颖的材料组合用于3D打印机，制造出了一种线状物体，该物体被放入水中时，会改变形状组成字母‘MIT。为什么打印出来的线状物体碰到水就变形了，你们能猜透其中的奥秘吗？”

小粗心：“哈哈，这些科学家肯定是魔术师装扮的。”

小好问：“是不是水的温度比室温高，所以打印出来的材料遇热产生了形态变化？”

小灵通：“关键在于打印的原材料，我分析它有可能是两种遇水后会发生不同变化的材料组合而成的。”

【关主释答】

小粗心，你的想象力还挺丰富的。小好问和小灵通的分析都有一定的合理性和可能性。4D打印材料其核心是记忆合金，它是一种能够自动变形的材料，人们通过软件设定模型和时间，变形材料在设定时间内变成所需的形状。

4D打印技术牵涉到对特殊材料的应用，这些材料在感知到运动状态、温度等发生改变，或是暴露于水、空气、重力场、磁场时会改变自身的形状，换句话说，4D中的第四维便是指材料的这种“自组装行为”。

总的来说，4D打印技术有几项非常关键的要素，一个是材料能够具备“时间”的认知；二是触发自我组装的“催化剂”，也就是介质，当然不一定只能是水，根据不同的打印材料，也有可能是光、热、声音、震动、气体，甚至是电子触发。如果说3D物体是静态的，需要人工控制，那么4D物体就能自动对环境作出反应——自行组装、修补或变形。该领域的进步将更多地依赖材料本身，而非打印技术。

前景广泛

小粗心满怀期待地说：“要是我家有一台这样的打印机就好了。想要什么家具直接打印，放在阳台给它洗个澡，过一会儿，一个书桌或者一把椅子就自动组装好并呈现在眼前，完全不需要自己动手组装。”

小好问接着小粗心的话说：“还可以设计会根据湿度、温度改变的衣服，做到冬暖夏凉。”

“没错，4D打印技术能衍生出许多实际的应用。目前，科学家正在研究如何利用该技术打印出植入人体内的生物相容性器官，例如心脏支架——一种置于心脏内部帮助恢复的管状医疗器械。不过要真正让4D打印走进我们的生活，还需要一段时间，而且还有一些问题需要深入研究。你们认为还有哪些问题正困扰着科研人员呢？”

小灵通：“材料！目前会变形的材料种类还太少，我们还需要开发更多类型的打印材料，不仅是遇水产生变形，还可以在其他环境中变化形态。”

小粗心：“我之前看新闻说有人利用3D打印技术制造手枪，4D技术真正普及后，如果被坏人利用后果不堪设想。”

小好问：“我也认为打印材料有待进一步研究，不过我考虑的是材料的使用寿命。特别是放置在人体内的物体，如果其材料的使用寿命太短反而会对人造成伤害。”

【关主释答】

是的，你们一针见血地提出了诸多令科研人员头痛的问题。就如小灵通和小好问所想的那样，4D打印原料仍需要投入大量研究。目前，科研人员开发的4D打印物体虽然可以经受干湿交替，循环使用数次，但材料在折叠与展开数十次之后，就会失去变形的能力。并且他们还想进一步开发能够对除水以外的其他因素作出反应的材料。

此外，小粗心的担忧也不无道理，这项技术也有被犯罪分子利用的可能性。

总体来说，4D技术发展前景广泛，而且也已经在军事、医疗领域有所贡献。例如，国外的军事专家提出可以借助4D打印技术制造开发出轻薄小巧的防弹衣，伸展时能提供全面防护，也便于储存和携带；或是促进大型装备构件的现场制造利用，借助4D打印技术预先设计大型结构的折叠状态，以及展开所需的关键部位和敏感材料，然后利用3D打印机打印出半成品，通过特殊的物理场控制实现成品的自动展开；还有研究人员计划借助4D打印的原理，利用DNA链造出了对抗癌症的纳米机器人等。未来，4D打印技术将给我们的生活带来翻天覆地的变化。