4D打印技术开创“e制造”时代

王望　付云岗

我们身处在一个科技以指数趋势更新换代的世界，从现有技术跳跃到新一代技术所需的时间短之又短。当“3D打印”被聊得热火朝天的时候，研究专家们就已经成功创造了下一代“4D打印”新技术，不得不承认，科技进步之神速总使我们叹为观止，惊奇不已，

4D打印技术的诞生

1 4D打印高调亮相于世

体现4D打印技术的最初思想是在2011年由Oxman等人提出的一种变量特性快速原型制造技术，这项技术根据材料的变形特性和不同材料的属性，通过逐层铺粉成型具有连续梯度的功能组件，成型件随时间推移来实现自我变形。同年，Tibbits提出了材料自组装的概念，进而进行了一系列探索性的试验研究。这也是4D打印技术的雏形和基础。

2013年，在美国加州举办TED（Technology，Entertainment，Design）大会上，来自麻省理工学院（MIT）的Skylar Tibbits首次公开演示了4D打印技术并解释：4D打印技术就是“自我组装”，即材料自动变形为预设的模型。4D打印技术的横空出世，预示着4D打印正式开始启动智能新时代。

2 4D打印比3D打印“酷炫”在哪？

①3D打印与4D打印技术概念的区别

3D打印是一种快速成型技术，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。不难理解，3D指的是描述现实世界中几何结构尺寸的3个空间维度变量（x，y，z）。

所谓的4D打印技术，就是在传统3D打印的概念基础上增加了时间维度t（其中t应理解成是广义的，它是表征一切4D打印中的第4维材料中所隐含的可变参量的总代表）。也就是说，被打印物体可以随着时间的推移而在形态上发生自我变形，核心是记忆合金，人们可通过软件预设特定的模型和时间，变形材料就能在设定时间内变成所需的形状。3D打印和4D打印的区别可通过图1中的立方体模型对比简单来感受一下。

②3D打印与4D打印技术原理的区别

3D打印通常采用数字技术材料打印机来实现。Tibbits认为，3D打印必须预先建模、扫描，之后使用物料打印出产品，而4D打印颠覆了这种先模拟后制造，或一边建物一边调整模拟效果的一般传统意义上的造物过程，使快速建模发生了根本性的转变。与3D打印的预先建模，扫描，再使用物料成形不同，4D打印直接将设计内置到物料当中，简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程。让物体如机器般灵活地“自动”创造，而不需要连接其他任何复杂的机械电子装备。

比起新兴的4D打印技术，3D打印骤然望而却步。4D打印技术“炫”就“炫”在生产的产品，不仅是立体的，而且还能随时间的变化自动组装成型，这是3D打印技术无法比拟的。

4D打印技术的核心

1 神奇的“变形金刚”材料

当发展了30年之余的3D打印方兴未艾，4D打印就已“蠢蠢欲动”。比起3D打印技术，4D打印更加智能化和个性化，但同时也对打印材料提出了更高的要求，需要使用到某些特殊材料。这些智能材料能自动响应所接触到的水，重力、温度，气体，磁性等外界变化，当感知到不同的环境状态时，可以通过自适应，自编程来改变自身的形状。例如，一条打印出来的管道能按照之前预设的模型，以水为活化能从而发生自动变形。由此可见，4D打印技术比3D打印多了一种超能力，即“变形”能力，想象一下，一个没有依靠复杂电子机械设备而拥有像人类一般的行为的机器人，这是多么得不可思议啊！

2 4D打印技术应用之案例

近两年，Tibbits一直在探索如何使用4D打印来制造不需要传统机器人结构的机器这个问题。在MIT自组装实验室里，他和同事们研制出了大量的相关成果。其中图2给出了一个4D打印物体的例子，它能够被预编程来响应水的刺激并且改变形状。最上面的图演示了一个一维物体（利用某种特殊聚合物制成）被注入到水里后，这个蛇形物可折叠成二维的麻省理工学院的字母“MIT”。底部的两幅图演示了如何从平面和线框结构创建出自动折叠立方体。图3演示了这种单链聚合物由字母“MIT”自动变形为字母“SAL”形状的过程，还有一种平面结构自动折叠成截角八面体，以及一种扁平圆盘在接触到水时自主折叠成一个曲面凸纹的折纸结构。这项实验是由Skylar Tibbits和Stratasys公司，欧特克（Autodesk）公司共同开展的，他们采用的是Stratasys公司的Connex复合材料打印机和一种新型聚合物，该聚合物在入水后体积可以膨胀至150%。

另一项4D打印技术是在3D打印作业期间将导线或导体嵌入到特殊兼容组件中。当对象被打印以后，这些组件可以被外界信号激活，进而引发全部自组装行为（如图4和5所示）。图4是机器人手指的设计和制造过程，通过在3D打印过程中嵌入某些特殊组件而成，（a）显示的是该机器人手指的CAD图，（b）显示的是手指被嵌入单丝纤维制造完成的形态，（c）显示的是通过滑动手指驱动关节。图5是通过3D打印制造集成了传感和驱动功能的飞机襟翼，（a）显示的是在材料沉积过程中直接将导体布线嵌入到平面和立体中，（b）显示的是具备形变驱动的记忆合金线嵌入后的详细几何视图，（c）显示的是当感应到电流时襟翼会随之摆动。其他4D打印技术进展包括复合材料的应用，基于不同的物理机制和热动力学可以转变成一些不同的复杂形状，已有证据可证明一些材料可以通过光的照射而自动折叠。

美国“神经系统”（Nervous System）设计工作室人员开发了一件采用4D打印技术印在单件上的完全可穿戴的连衣裙（见图6），这也是通过3D打印技术印制成的世界上首件4D打印连衣裙。此件4D连衣裙通过3316个连接点把2279个打印块连在一起，堪称为模特量身定制。“神经系统”创意主管杰茜卡·罗森克兰茨说，4D打印或许将成为未来时装的发展方向。

前途无量的4D打印技术

4D打印有望在制造过程中扮演一个非常重要的角色。印刷技术能使编程材料根据内置的程序从一维或二维印刷自我转变成三维对象。据2015年6月份Marketsand Market发布的关于4D打印的最新市场研究报告《4D市场之材料、终端用户的行业和地域——全球趋势及预测，2019～2025》，全球4D印刷市场有望在2019年实现商业化，并且将以42.95%的复合年均增长率至2025年达到5.378亿美元，这种增长将会随着制造和加工成本的降低，确保环境的可持续发展而不断驱动增长（见图7）。

4D打印技术的潜力是无穷的，横跨军工，汽车，建筑，医疗保健，服装等各大领域，其应用前景之广阔是目前无法估量的。4D打印是对3D打印技术的延伸，它使得打印并不只是创造的终极，而仅仅是一条路径，这条神奇之路值得世界为之探索。只有想不到的，没有做不到的，4D打印技术将还原你的幻想为真实，相信4D打印技术势必会给制造行业带来巨大的变革，“e制造”时代已蓄势待发，你准备好迎接它了吗？

责任编辑：王蕾