宋 波 ，卓林蓉 ，溫銀堂 ，梁 波 ，趙清亮 ，賀健康 ，張述泉，閆春澤 ，史玉升

（1.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；4.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；5.北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

隨著高端裝備對(duì)構(gòu)件的要求越來(lái)越高，組成高 端裝備的構(gòu)件從傳統(tǒng)的機(jī)械性能與功能特性向智能特性發(fā)展。智能構(gòu)件能實(shí)現(xiàn)形狀、性能、功能的可控變化，然而其結(jié)構(gòu)往往具有復(fù)雜化、精細(xì)化、輕量化等特點(diǎn)，傳統(tǒng)制造方法以鑄造、焊接、塑性加工和機(jī)加工為主，復(fù)雜構(gòu)件工藝繁瑣甚至難以完成，此外，智能構(gòu)件的復(fù)雜功能往往需要復(fù)合材料乃至多種智能材料的協(xié)同作用，采用傳統(tǒng)制造方法難以滿(mǎn)足復(fù)雜智能構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)與材料的雙重要求。而4D打印技術(shù)是在材料、機(jī)械、力學(xué)、信息等學(xué)科的高度交叉融合基礎(chǔ)上產(chǎn)生的顛覆性制造技術(shù)，將材料、設(shè)計(jì)融入制造過(guò)程中，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜智能構(gòu)件制造的有效途徑。

1 4D打印技術(shù)的內(nèi)涵

4D打印最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Tibbits[1]提出，其團(tuán)隊(duì)研究人員利用3D打印技術(shù)制造出一維繩狀物，放入水中后的繩狀物會(huì)自動(dòng)變形成預(yù)先設(shè)定好的形狀，由此引發(fā)了學(xué)術(shù)界對(duì)4D打印的研究熱潮。如圖1、圖2所示，最初的4D打印技術(shù)是指在3D打印技術(shù)上增加了一個(gè)時(shí)間的維度，即智能材料經(jīng)過(guò)3D打印成形后，構(gòu)件在外界環(huán)境激勵(lì)下會(huì)發(fā)生自身結(jié)構(gòu)的變化，多數(shù)追求的是外形的可變，目前處于概念演示階段。隨著研究的深入，4D打印的內(nèi)涵進(jìn)一步得到了豐富，認(rèn)為4D打印就是通過(guò)智能結(jié)構(gòu)、智能材料或非智能材料的增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的形狀、性能或功能在時(shí)間和空間維度上的可控，滿(mǎn)足變形、變性和變功能的應(yīng)用需求。在傳統(tǒng)的研究中，材料的合成、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、功能的實(shí)現(xiàn)均為獨(dú)立的環(huán)節(jié)，而4D打印則以功能需求為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)了材料-結(jié)構(gòu)-功能的一體化制造。

圖1 最初的4D打印概念

圖2 最新的4D打印概念

2 4D打印技術(shù)現(xiàn)狀

4D打印智能材料按不同材料屬性分為聚合物、形狀記憶合金、陶瓷材料等，其中聚合物又包括形狀記憶聚合物、電活性聚合物、水驅(qū)動(dòng)型聚合物。

4D打印形狀記憶聚合物的成形工藝有熔融沉積技術(shù)、光固化成形技術(shù)、聚合物噴射技術(shù)、直寫(xiě)技術(shù)等[2]。香港大學(xué)的Yang等[3]研究了熔融沉積過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)制件強(qiáng)度、密度、粗糙度等性能的影響，并成功制備了火箭、花瓣、機(jī)械手等模型，花瓣在加熱到Tg溫度以上會(huì)發(fā)生閉合，而機(jī)械手在加熱到Tg溫度以上可抓取筆帽。新加坡南洋理工大學(xué)的Choong等[4]利用光固化雙組分光敏聚合物的方法打印了高性能形狀記憶制件，制件的力學(xué)性能與商用的形狀記憶聚合物相當(dāng)，且能進(jìn)行20次以上的形狀記憶循環(huán)（圖3）。美國(guó)佐治亞理工大學(xué)的Ge等[5]利用噴射技術(shù)打印了一種由聚合物纖維和彈性體組成的復(fù)合材料，該聚合物纖維作為增強(qiáng)相具有良好的形狀記憶效應(yīng)，通過(guò)對(duì)聚合物纖維排布方式的設(shè)計(jì)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒釞C(jī)械處理，使得該復(fù)合材料能進(jìn)行折疊、纏繞、彎曲，以形成更為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。西安交通大學(xué)的Mu等[6]利用直寫(xiě)技術(shù)打印銀導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整固化時(shí)間和固化溫度，可同時(shí)滿(mǎn)足導(dǎo)電率和可伸縮特性的要求，在80℃下固化10～30 min的導(dǎo)線在應(yīng)變高達(dá)300%時(shí)仍能保持導(dǎo)電；同時(shí)，利用直寫(xiě)技術(shù)打印銀導(dǎo)線并通過(guò)噴墨技術(shù)打印基底制備了電纜和柔性傳感器（圖4），這項(xiàng)研究對(duì)于可伸縮電極和柔性傳感器的發(fā)展具有重要意義。

圖3 光固化制備的足球烯結(jié)構(gòu)在不同溫度下的變形圖[4]

圖4 直寫(xiě)技術(shù)制備的柔性電纜結(jié)構(gòu)及演示圖[6]

電活性聚合物是一類(lèi)在電場(chǎng)的刺激下可產(chǎn)生尺寸或形狀大幅變化的新型柔性功能材料，主要包括離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料 （IPMC）、巴克凝膠（bucky gel）、介電彈性材料（DE），三者均為中間基體材料、兩邊電極材料的結(jié)構(gòu)。Carrico等[7]將Nifion前體材料制備成絲材，并通過(guò)熔絲增材制造的方法制備成所需的基體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)水解、化學(xué)鍍后最終形成IPMC結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)技術(shù)將有望用于軟體機(jī)器人中的傳感和驅(qū)動(dòng)裝置。Kamamichi等[8]提出用3D打印技術(shù)制造bucky gel，以離子液體、聚合物作為基體材料，以碳納米管、聚合物、離子液體作為電極材料，利用3D打印技術(shù)逐層打印電極、基體材料和電極，從而可制備任意復(fù)雜形狀的bucky gel。Schlatter等[9]實(shí)現(xiàn)了噴墨打印DE結(jié)構(gòu)的炭黑電極，并將電極應(yīng)用于介電彈性體驅(qū)動(dòng)器上，在94 V/μm電場(chǎng)強(qiáng)度下的徑向拉伸可達(dá)8.8%。

水驅(qū)動(dòng)的智能材料主要根據(jù)材料的吸水特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終達(dá)到所需的變形結(jié)構(gòu)。Tibbits教授在2013年展示的4D打印繩狀結(jié)構(gòu)就是利用水刺激細(xì)繩的芯材，這是一種遇水能夠發(fā)生彎曲或膨脹的親水性材料，芯材的外層包裹著一種硬質(zhì)材料，不同的厚度將產(chǎn)生不同大小的阻力，設(shè)計(jì)好的細(xì)繩在遇水時(shí)芯材發(fā)生彎曲而外層不同部位的材料根據(jù)厚度的差異產(chǎn)生不同的阻力，由此使整個(gè)細(xì)繩彎曲成預(yù)設(shè)的形狀[1]。哈佛大學(xué)的Sydney等[10]研究出一種新的混有纖維的水凝膠墨水，利用其打印出的花朵在水的刺激下能從二維扁平狀“生長(zhǎng)”成三維形狀，二維卷曲的花朵還可變成三維風(fēng)車(chē)狀（圖5），通過(guò)改變纖維為導(dǎo)電纖維，還可將該工藝應(yīng)用到智能電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)上。華中科技大學(xué)的Song等[11]制備了碳納米管（CNTs）增強(qiáng)的聚乙烯醇（PVA）/聚乙二醇（PEG）雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠復(fù)合材料，在經(jīng)過(guò)外力變形與凍融處理后，水凝膠因受力而產(chǎn)生的形變能夠被固定下來(lái)，然后在高溫水的刺激下能恢復(fù)初始形狀；研究者還發(fā)現(xiàn)CNTs的加入既能保持雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的記憶性能，又能提高材料的粘彈性，即提高了材料的可打印性（圖6）。

圖5 直寫(xiě)技術(shù)制備不同結(jié)構(gòu)的水凝膠花朵變形圖[10]

圖6 直寫(xiě)技術(shù)制備碳納米管增強(qiáng)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠變形圖及打印性能圖[11]

目前應(yīng)用最廣泛的形狀記憶合金主要有Ni-Ti基形狀記憶合金和Cu基形狀記憶合金。4D打印形狀記憶合金的成形工藝有激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）、激光重熔技術(shù)等。最初，由于激光器功率的限制，3D打印金屬采用了間接打印的方式。瑞士應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Carre?o-Morelli[12]在2007年首次提出形狀記憶合金增材制造技術(shù)，利用有機(jī)膠和溶劑反應(yīng)將NiTi金屬粉末粘接在一起，逐點(diǎn)固化成三維結(jié)構(gòu)，打印出的記憶合金具有一定的形狀記憶效應(yīng)。隨著激光器的發(fā)展，激光器輸出的功率足夠直接熔化金屬，使直接3D打印金屬成為可能，因此，研究者們開(kāi)始采用SLM技術(shù)制備形狀記憶合金。Saedi等[13]研究了固溶處理對(duì)于Ni-Ti基形狀記憶合金的相變溫度、超彈性、機(jī)械性能的影響，發(fā)現(xiàn)固溶處理會(huì)提高強(qiáng)度和超彈性，但會(huì)輕微地降低可回復(fù)應(yīng)變；還研究了固溶處理后不同時(shí)效的時(shí)間和溫度對(duì)SLM制備N(xiāo)i-Ti基形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性的影響，發(fā)現(xiàn)時(shí)效過(guò)后的樣品具有更高的強(qiáng)度和硬度，在350℃時(shí)效的樣品展現(xiàn)出完美的超彈性，在5.5%應(yīng)變的情況下回復(fù)率達(dá)到95%以上，且多次循環(huán)后，可回復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定在4.2%[14]；而后，進(jìn)一步研究了未固溶處理狀態(tài)下的時(shí)效處理工藝對(duì)形狀記憶效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)時(shí)效工藝對(duì)合金的形狀記憶效應(yīng)與超彈性有很大的影響，合適的時(shí)效工藝可以不進(jìn)行固溶處理就能提高記憶合金的熱機(jī)械性能，改變相轉(zhuǎn)變溫度[15]。Dadbakhsh等[16]研究了高激光參數(shù)（高功率和高掃描速度）和低激光參數(shù)（低功率和低掃描速度）對(duì)Ni-Ti基形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性的影響，發(fā)現(xiàn)在高激光參數(shù)下；SLM制件在室溫時(shí)主要為奧氏體相，故超彈性占主導(dǎo)，而在低激光參數(shù)下主要為馬氏體相，故形狀記憶效應(yīng)占主導(dǎo)。之后，還通過(guò)制備N(xiāo)i-Ti基多孔支架研究了高激光參數(shù)對(duì)支架尺寸精度、固體體積分?jǐn)?shù)、斷裂機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)高激光參數(shù)打印的樣品尺寸誤差大，多孔支架的壁厚比原始設(shè)計(jì)的壁厚更大，但是大壁厚在承載時(shí)有利于應(yīng)變的均勻分布，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的參考意義（圖7）[17]。

圖7 高功率參數(shù)與低功率參數(shù)制備的鎳鈦合金支架[17]

Khoo等[18]用激光重熔技術(shù)制備N(xiāo)i-Ti基形狀記憶合金，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變已熔化層的激光吸收率和熱導(dǎo)率來(lái)影響第二次激光掃描時(shí)熔體的潤(rùn)濕情況，從而影響孔隙率和球化現(xiàn)象，進(jìn)一步影響制件的最終性能。Gargarella等[19]用SLM技術(shù)制備了致密度達(dá)92%以上的銅基合金圓柱體，研究了樣品微觀組織、熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，證明了用SLM技術(shù)制備Cu-Al-Ni基形狀記憶合金的可行性。Gustmann等[20]用SLM技術(shù)制備了致密度接近99%的Cu-Al-Ni形狀記憶合金，由于激光選區(qū)熔化的極大冷卻速度抑制了其他相的形成，故生成了全馬氏體組織；同時(shí)，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)制件致密度、孔隙分布、晶粒大小的影響，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的能量密度為30～40 J/mm3，且掃描策略對(duì)于孔隙分布與晶粒尺寸有密切的關(guān)系；此外，還研究了重熔工藝對(duì)Cu-Al-Ni基形狀記憶合金的作用，發(fā)現(xiàn)重熔可提高塊體的致密度，經(jīng)重熔處理的塊體致密度可達(dá)99.5%，且在不經(jīng)過(guò)熱處理的條件下，通過(guò)調(diào)整重熔工藝中輸入的激光能量密度就能調(diào)整相變溫度[21]。

關(guān)于4D打印陶瓷，傳統(tǒng)方法打印出的陶瓷前驅(qū)體難以變形，而近期香港城市大學(xué)的呂堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)利用一種復(fù)合彈性體陶瓷材料實(shí)現(xiàn)了陶瓷折紙結(jié)構(gòu)的打印和4D陶瓷打印，這是首次實(shí)現(xiàn)的4D打印陶瓷。陶瓷折紙結(jié)構(gòu)的打印可通過(guò)前期設(shè)計(jì)，先3D打印出陶瓷的前驅(qū)體（一種彈性體陶瓷），再用金屬絲輔助陶瓷前驅(qū)體折疊變形成復(fù)雜的折紙結(jié)構(gòu)，最后熱處理前驅(qū)體轉(zhuǎn)變成陶瓷（圖8）。4D打印陶瓷則是在預(yù)拉伸的3D彈性體結(jié)構(gòu)上打印主結(jié)構(gòu)，彈性體結(jié)構(gòu)預(yù)拉伸會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，當(dāng)預(yù)應(yīng)力釋放后，主結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變形，形成4D打印所需的結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)熱處理轉(zhuǎn)化為陶瓷（圖9）[22]。

圖8 4D打印具有混合高斯曲率的陶瓷折紙結(jié)構(gòu)[22]

圖9 4D打印三浦折疊結(jié)構(gòu)的陶瓷[22]

總的來(lái)說(shuō)，4D打印技術(shù)雖然取得了一定的進(jìn)步，但目前仍存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）4D打印智能構(gòu)件尚處于演示階段，大多數(shù)結(jié)構(gòu)只能用于實(shí)驗(yàn)室展示，缺乏智能構(gòu)件的設(shè)計(jì)理論與方法體系，未能將微觀變形與宏觀性能改變相結(jié)合，未能建立4D打印智能構(gòu)件形狀-性能-功能一體化可控/自主變化的方法，4D打印智能構(gòu)件形狀、性能、功能的時(shí)空變化缺乏理論模擬、仿真與預(yù)測(cè)等技術(shù)手段。

（2）4D打印材料體系匱乏，缺乏滿(mǎn)足應(yīng)用需求的智能材料體系，材料工藝匹配性的研究欠缺，尚無(wú)復(fù)雜智能構(gòu)件的有效制造方法。

（3）4D打印構(gòu)件變形量小、響應(yīng)速度慢，無(wú)法滿(mǎn)足功能構(gòu)件可控/自主變化的需求，且常規(guī)的構(gòu)件評(píng)價(jià)方法大多注重力學(xué)性能，而智能構(gòu)件具有自適應(yīng)變化特性，其驗(yàn)證方法區(qū)別于常規(guī)構(gòu)件，尚無(wú)有效的評(píng)價(jià)方法與集成驗(yàn)證體系。

3 4D打印技術(shù)的應(yīng)用前景

4D打印在航空航天、生物醫(yī)療、汽車(chē)、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.1 航空航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，單一的機(jī)翼形狀并不能滿(mǎn)足飛機(jī)在各種飛行狀態(tài)下的需求，而變形機(jī)翼飛機(jī)能隨著外界環(huán)境變化，柔順、平滑、自主地不斷改變外形，以適應(yīng)不同飛行狀態(tài)的空氣動(dòng)力學(xué)需求，保持飛行過(guò)程中的性能最優(yōu)。2017年，歐盟委員會(huì)資助了一項(xiàng)為期三年、總投資近四億歐元的“智能變形與傳感技術(shù)”項(xiàng)目，由法國(guó)國(guó)家理工學(xué)院、法國(guó)宇航院、意大利米蘭理工大學(xué)等十多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)，目前該研究團(tuán)隊(duì)建造了一個(gè)近乎全尺寸且結(jié)合形狀記憶合金與壓電作動(dòng)器的 “電活性”機(jī)翼翼段，對(duì)智能變形機(jī)翼的進(jìn)展起到了巨大的推動(dòng)作用。美國(guó)NASA推進(jìn)了一個(gè)名為“翼展自適應(yīng)機(jī)翼”的項(xiàng)目，放棄了傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)變形的方式，采用通電加熱記憶合金以驅(qū)動(dòng)機(jī)翼變形，在飛行過(guò)程中，該機(jī)翼兩端可在向上和向下70°的范圍內(nèi)折疊，且重量比傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)輕80%。

智能變形構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域的另一個(gè)典型應(yīng)用就是可變形衛(wèi)星天線。利用4D打印形狀記憶合金天線，在發(fā)射人造衛(wèi)星之前，將拋物面天線折疊起來(lái)裝入衛(wèi)星體內(nèi)，火箭升空將人造衛(wèi)星送至預(yù)定軌道后，太陽(yáng)輻射會(huì)導(dǎo)致升溫，折疊的衛(wèi)星天線自然展開(kāi)，大大減少了所需機(jī)械部件的數(shù)量和重量，降低衛(wèi)星發(fā)射的體積和重量。此外，利用4D打印太陽(yáng)能陣列面板，在發(fā)射之前處于占用空間小的折疊狀態(tài)，發(fā)射到太空后受熱自動(dòng)展開(kāi)，既降低了空間占用率，又節(jié)約了能耗。

3.2 生物醫(yī)療領(lǐng)域

在生物醫(yī)療領(lǐng)域，利用4D打印技術(shù)可制備醫(yī)療支架，在植入人體前對(duì)其進(jìn)行變形處理，使之體積最小；在植入人體后，通過(guò)施加一定的刺激使其恢復(fù)設(shè)定的形狀以發(fā)揮功能，這樣可最大程度地減小患者的傷口面積。Miao等[23]利用光固化新型可再生大豆油環(huán)氧丙烯酸酯制備了具有高生物相容性的支架，不僅能促進(jìn)多能人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的生長(zhǎng)，而且能在-18℃維持折疊的形態(tài)，并在人體正常體溫（37 ℃）時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)（圖 10）。 Wei等[24]通過(guò)直寫(xiě)技術(shù)打印了Fe3O4/PLA形狀記憶納米復(fù)合材料支架，可在使用前進(jìn)行折疊以減小尺寸，通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)去驅(qū)動(dòng)，當(dāng)其置于交變磁場(chǎng)中時(shí)，折疊的支架能自行擴(kuò)張，整個(gè)過(guò)程僅需10 s。

圖10 光固化制備大豆油支架材料的變形圖[23]

俄羅斯國(guó)立大學(xué)Senatov等[25]實(shí)現(xiàn)了熱塑性的羥基磷灰石（HA）/聚乳酸（PLA）形狀記憶復(fù)合材料的3D打印，制備了能用于骨缺損的自適應(yīng)性支架。Hendrikson等[26]利用形狀記憶聚氨酯制備了不同孔隙結(jié)構(gòu)的支架（圖11），發(fā)現(xiàn)該支架在恢復(fù)初始形狀的過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)接種在上面的細(xì)胞發(fā)生形態(tài)的改變，進(jìn)一步可誘導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)，這種支架在人體骨、肌肉、心血管等組織再生中具有很大的應(yīng)用潛力。此外，利用3D打印Ni-Ti形狀記憶合金接骨器，在手術(shù)時(shí)無(wú)需外加螺絲固定，減輕了患者的二次損傷，不僅可將兩段斷骨固定，而且在恢復(fù)原形狀的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓縮力，迫使斷骨接合在一起[27]。

圖11 熔融沉積制備不同孔隙結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)支架[26]

3.3 汽車(chē)工程領(lǐng)域

在汽車(chē)領(lǐng)域，利用形狀記憶合金制備的輪胎，可根據(jù)路面的情況發(fā)生形變，并迅速恢復(fù)到原狀，它能適應(yīng)不同的地形和路況，且不需充氣、也不會(huì)發(fā)生爆胎，具有更高的舒適性與安全性。利用記憶合金彈簧制備的記憶合金節(jié)溫器，在特定的溫度范圍內(nèi)能控制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的開(kāi)閉，以保證汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率最高[28]。利用智能材料制造可變的汽車(chē)外形，比如可調(diào)節(jié)的天窗和擾流板，使駕駛者能通過(guò)控制氣流進(jìn)而改進(jìn)車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，提升操控性能。

3.4 柔性機(jī)器人領(lǐng)域

柔性機(jī)器人相比于傳統(tǒng)的由電機(jī)、活塞、關(guān)節(jié)、鉸鏈等組成的機(jī)器人更加輕便靈活，可根據(jù)實(shí)際需要靈活地改變自身的尺寸和形狀，并加入更復(fù)雜的作業(yè)中，具有更高的安全性和環(huán)境相容性。因此，柔性機(jī)器人在醫(yī)療機(jī)器人和仿生機(jī)器人等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和前景[29]。Ge等[30]通過(guò)4D打印多重形狀記憶聚合物制備了多種仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)，在熱驅(qū)動(dòng)下可成功實(shí)現(xiàn)螺絲釘?shù)淖ト『歪尫牛▓D12）；還利用形狀記憶聚合物纖維和彈性基體制備了熱驅(qū)動(dòng)的折紙結(jié)構(gòu)，聚合物纖維在一定的溫度范圍內(nèi)具有形狀記憶效應(yīng)，受熱刺激從而帶動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生折疊，該研究對(duì)于4D打印自組裝系統(tǒng)具有重要的意義[31]。 López-Valdeolivas等[32]利用 4D 打印液晶彈性體制備了熱驅(qū)動(dòng)的具有軟體機(jī)器人功能的驅(qū)動(dòng)器，能在溫度刺激下進(jìn)行快速響應(yīng)（圖13），相對(duì)于常規(guī)的薄片形液晶彈性體驅(qū)動(dòng)力更大、形狀結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

圖12 光固化制備仿生機(jī)械手抓取螺絲釘?shù)难菔緢D[30]

圖13 直寫(xiě)技術(shù)制備液晶彈性體在不同溫度下的變形圖[32]

4 4D打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展與挑戰(zhàn)

針對(duì)上述4D打印中存在的問(wèn)題，提出以下幾項(xiàng)未來(lái)需要著重研究的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）智能構(gòu)件的建模、功能預(yù)測(cè)及優(yōu)化調(diào)控。智能材料在提供有限的變形、變特性前提下，通過(guò)結(jié)構(gòu)主動(dòng)設(shè)計(jì)、仿生設(shè)計(jì)、位移放大、提升其變化功能。建立智能構(gòu)件的設(shè)計(jì)與理論體系，實(shí)現(xiàn)宏觀性能、功能變化的調(diào)控。將智能構(gòu)件基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論應(yīng)用于模擬仿真軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能構(gòu)件形狀、性能、功能時(shí)空變化的預(yù)測(cè)。

（2）智能材料與成形設(shè)備。目前能用于4D打印的材料較少，急需開(kāi)發(fā)多種適用于4D打印技術(shù)的智能材料，使激勵(lì)響應(yīng)的形式多樣化，同時(shí)提高現(xiàn)有4D打印材料的性能。此外，需研發(fā)適用于4D打印的設(shè)備，由于單一材料的變形能力有限，未來(lái)將發(fā)展多種材料協(xié)調(diào)變形的4D打印結(jié)構(gòu)。因此，4D打印設(shè)備也應(yīng)該朝著多材料、高精度、大型化的方向同步發(fā)展。

（3）智能材料或非智能材料與制作工藝的匹配性。智能材料經(jīng)過(guò)制造工藝成形構(gòu)件后，其變形、變性、變功能特性無(wú)法達(dá)到預(yù)期值，在制造過(guò)程中其性能可能有所損耗。比如形狀記憶合金在激光選區(qū)熔化成形后，是否還具有記憶性能、記憶性能與傳統(tǒng)制造方法有無(wú)變化、是否需進(jìn)行后處理才能獲得記憶性能、是否所有的形狀記憶合金都可采用4D打印來(lái)制備、激光選區(qū)熔化成形的各向異性和孔隙率等是否會(huì)對(duì)形狀記憶性能產(chǎn)生影響，這些都是有待解決的問(wèn)題。

（4）智能構(gòu)件的功能實(shí)現(xiàn)與評(píng)價(jià)方法。智能構(gòu)件具有自適應(yīng)變化特性，其驗(yàn)證方法區(qū)別于常規(guī)構(gòu)件，但目前尚無(wú)有效的評(píng)價(jià)方法與集成驗(yàn)證體系。評(píng)價(jià)智能構(gòu)件的質(zhì)量需通過(guò)尺寸精度、功能特性、力學(xué)性能等多方面因素的考量，故應(yīng)當(dāng)建立針對(duì)于智能構(gòu)件的有效評(píng)價(jià)體系。

5 展望

4D打印技術(shù)研究趨于熱點(diǎn)，但應(yīng)面向重大應(yīng)用需求，以目標(biāo)為牽引，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用導(dǎo)向的智能構(gòu)件。首先，功能導(dǎo)向與應(yīng)用導(dǎo)向設(shè)計(jì)，這二者應(yīng)該螺旋式發(fā)展，相互促進(jìn)與提升，瞄準(zhǔn)最終4D打印構(gòu)件功能提升的目標(biāo)。雖然智能構(gòu)件的應(yīng)用潛力巨大，但就現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)，將智能構(gòu)件運(yùn)用在如變形機(jī)翼等領(lǐng)域，還受到隱身性、穩(wěn)定性、輕便性等諸多因素的限制。盡管如此，并不意味著智能構(gòu)件的發(fā)展就止步不前了。某些應(yīng)用對(duì)智能構(gòu)件的要求不高，研究者們可從這些應(yīng)用入手，先滿(mǎn)足較低的使用要求，再進(jìn)一步地改進(jìn)材料體系、制備工藝，最終推動(dòng)智能構(gòu)件向高性能發(fā)展。其次，4D打印所用的材料應(yīng)具備良好的工藝匹配性，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)適應(yīng)工藝的新材料，在保證材料滿(mǎn)足4D打印工藝過(guò)程要求的同時(shí)，使打印出的制件具備變形、變性、變功能的特征。最后，4D打印智能構(gòu)件的評(píng)價(jià)與驗(yàn)證應(yīng)結(jié)合應(yīng)用單位開(kāi)展，建立各類(lèi)測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這也和前面所談到的以應(yīng)用為導(dǎo)向推進(jìn)4D打印發(fā)展相一致。所謂的4D打印，不應(yīng)只是一個(gè)新奇的概念型物品，而應(yīng)該是在某個(gè)領(lǐng)域能具體發(fā)揮作用的實(shí)體，需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用單位對(duì)使用構(gòu)件的要求及應(yīng)用場(chǎng)合，給出智能構(gòu)件的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則。