貓哥

我們都知道3D打印在日常生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用，那么你有聽說過4D打印嗎？可能對(duì)于很多人來說，4D打印比較陌生，但它卻是當(dāng)下很多學(xué)者、企業(yè)研究的熱門話題。4D打印產(chǎn)出的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自變形、自修復(fù)、自組裝、自感應(yīng)、自適應(yīng)性等多種能力，以往只存在于科幻小說里的情節(jié)正逐漸變成現(xiàn)實(shí)。

什么是4D打??？

顯然，4D打印比3D打印多一個(gè)“D”。這是什么意思？為什么它會(huì)為這項(xiàng)技術(shù)帶來如此多的附加值？3D打印是設(shè)計(jì)師通過三維軟件建模，使用打印設(shè)備直接將模型從底部到頂部逐層打印，直到獲得最終產(chǎn)品的過程。4D打印稱為隨時(shí)間變化的3D打印，因此，4D打印便增加了第四個(gè)維度一時(shí)間。與3D打印產(chǎn)出的靜態(tài)結(jié)構(gòu)不同，4D打印產(chǎn)出的是一個(gè)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)于4D打印一個(gè)較為全面的定義是：一個(gè)三維印刷結(jié)構(gòu)被暴露于預(yù)定刺激下（如熱、水、光、pH等），其功能、形狀、性能可隨時(shí)間發(fā)生變化。因此，與3D打印技術(shù)相比，4D打印最大的突破在于其隨時(shí)間變化的能力。

4D打印是如何工作的？

與在三維空間中創(chuàng)建打印的3D打印機(jī)不同，實(shí)際上沒有所謂的“4D打印機(jī)”。取而代之的是，4D打印依賴于使用對(duì)刺激有反應(yīng)的材料以及設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確執(zhí)行，它將傳統(tǒng)打印材料升級(jí)為刺激響應(yīng)材料（智能材料）.并根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行材料的結(jié)構(gòu)組臺(tái)設(shè)計(jì)，從而使材料的變化表現(xiàn)為最終產(chǎn)品的形式。簡(jiǎn)而言之，就是使用3D打印機(jī)，以智能材料為打印原料，對(duì)打印的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)的刺激反應(yīng)，得到預(yù)期的最終產(chǎn)品。材料結(jié)構(gòu)的微觀變化效果如何取決于打印結(jié)構(gòu)的原始角度和尺寸，因此.材料和設(shè)計(jì)在促成4D打印達(dá)到預(yù)期效果時(shí)部起著至關(guān)重要的作用。

1.打印材料

實(shí)現(xiàn)4D打印結(jié)構(gòu)各種自發(fā)性質(zhì)功能的最重要原因是使用智能材料。智能材料結(jié)構(gòu)泛指將傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件以及有關(guān)的信號(hào)處理和控制電路集成在材料結(jié)構(gòu)中，通過機(jī)、熱、光、化、電、磁等刺激和控制，使其不僅具有承受載荷的能力，而且具有識(shí)別、分析、處理及控制等多種功能，能進(jìn)行自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自修復(fù)。用于4D打印的智能材料可以分為形狀改變材料（SCM）和形狀記憶材料（SMM）兩類。SCM本身就像一個(gè)開關(guān)，在外部刺激的作用下，它伴隨著臨時(shí)轉(zhuǎn)換機(jī)制。當(dāng)移除外部刺激時(shí)，轉(zhuǎn)換后的實(shí)體便回到其原始形狀。相反，SMM會(huì)適應(yīng)觸發(fā)的臨時(shí)形狀。除非另一個(gè)刺激將變化推回其原始形式。具有形狀記憶特性的材料分為形狀記憶水凝膠（SMH）、形狀記憶陶瓷（SMcrs）、形狀記憶臺(tái)金（SMA）、形狀記憶復(fù)臺(tái)材料（SMC）和形狀記憶聚合物（SMP）等。

2.刺激觸發(fā)機(jī)制

外界刺激是用來觸發(fā)4D打印結(jié)構(gòu)發(fā)生形狀、特性、功能變化的外在應(yīng)力.包括水、熱、光、DH、化學(xué)或溶劑、聲音、離子強(qiáng)度、電壓、磁場(chǎng)或其組合。刺激的選擇取決于應(yīng)用的具體要求。例如，雙層基于水凝膠材料已在4D打印中被廣泛研究，通過結(jié)合活性水凝膠材料和無源聚合物材料來構(gòu)造雙層，雙層的形狀變化是通過活性材料中吸水使兩層的體積相對(duì)變化而實(shí)現(xiàn)的。這些變化可以由環(huán)境刺激物觸發(fā)，例如溫度、PH、光或濕度。雙層通常從其平面形狀變?yōu)榛⌒?其曲率半徑由兩種鄰接材料的相對(duì)剛度、膨脹和厚度決定。這些變量之間的關(guān)系已由Timoshenko描述，并已被證明可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基于水凝膠的雙層的行為。

3.形狀記憶效應(yīng)（SME）

4D打印結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換或功能更改的實(shí)現(xiàn)取決于撤去刺激后材料的響應(yīng)，即形狀記憶效應(yīng)（SME）。SME根據(jù)臨時(shí)形狀或中間形狀的穩(wěn)定性，可以是單向、雙向、三向或多向的。主要表現(xiàn)為折疊、彎曲、扭曲、膨脹，收縮、表面卷曲等。4D打印的基本思路都是以平面分層的結(jié)構(gòu)來打印樣本，通過智能材料的形狀記憶效應(yīng)來驅(qū)動(dòng)變形。材料經(jīng)過周期交替排列或規(guī)律的結(jié)構(gòu)組合，經(jīng)刺激觸發(fā)實(shí)現(xiàn)多樣的形態(tài)變化，從而達(dá)到設(shè)定的效果或功能。因?yàn)椴恍枰尾牧?，在?jié)約打印時(shí)間和杜絕材料浪費(fèi)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，該方法可以廣泛地用于設(shè)計(jì)具有任意形狀和復(fù)雜性的組件并且可以經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行打印。

舉一個(gè)更加簡(jiǎn)單的例子來幫助大家理解4D：想象一下，我們可以通過3D打印直接生產(chǎn)出一個(gè)盒子來，但是通過使用4D打印，利用某種刺激機(jī)制，這個(gè)盒子是否可以自動(dòng)變平以進(jìn)行打包？或許我們認(rèn)為盒子自動(dòng)展平的過程是多此一舉，但是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的變化對(duì)商業(yè)的影響卻是巨大的，它將大大節(jié)約人力、物力資源，提高了運(yùn)輸效率和公司收益，而這僅僅是4D打印可能應(yīng)用的一個(gè)小例子。

1.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

醫(yī)學(xué)和醫(yī)療保健是可能從4D打印中受益最大的行業(yè)之一。已經(jīng)有4D打印的示例用于創(chuàng)建可以適應(yīng)環(huán)境的生物醫(yī)學(xué)夾板。例如，密歇根大學(xué)奠特兒童醫(yī)院的醫(yī)生使用4D打印技術(shù)開發(fā)了一種氣道夾板。該夾板是專為重癥監(jiān)護(hù)病房新生兒使用的，旨在幫助嬰兒呼吸道成長到足夠堅(jiān)固。當(dāng)嬰兒成長時(shí).它會(huì)隨著嬰兒的成長而擴(kuò)張，從而防止嬰兒的呼吸道塌陷。若將4D打印用以制造一種柔軟而靈活的小型可植入設(shè)備。這意味著插入和微創(chuàng)的痛苦將減輕，有人設(shè)計(jì)了具有后向倒刺的生物啟發(fā)式微針陣列的4D打印，可增強(qiáng)組織黏附力，從而使藥物輸送、生物流體收集和生物傳感的性能更加穩(wěn)定和強(qiáng)大。

另一個(gè)可能受益的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是假肢.因?yàn)槭褂?D打印制成的假肢可以改善患者的舒適度，也可以為仍在成長且需要假肢適應(yīng)的兒童提供解決方案。展望未來，醫(yī)生和研究人員有可能創(chuàng)造出更加驚喜的發(fā)明。希望4D打印可以為那些需要器官移植的人創(chuàng)建人造器官的前進(jìn)之路。

2.工業(yè)制造

將4D打印應(yīng)用在工業(yè)制造的方式令人耳目一新，尤其是當(dāng)該技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)、AI技術(shù)相結(jié)合時(shí)。例如上文對(duì)盒子可以自己展開以打包，然后再折疊以重新使用的舉例。另一種可能性是使用4D打印為機(jī)械制造零件，從而簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程并節(jié)省時(shí)間和金錢。根據(jù)Digitalist Magazine的報(bào)道，已經(jīng)在進(jìn)行的相關(guān)研究可能會(huì)改變我們現(xiàn)有的生產(chǎn)過程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師Christopher Guberan正在與MIT合作開發(fā)一款自組裝鞋。他的研究目的是改變復(fù)雜且勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)過程。一旦人們對(duì)這種技術(shù)有了更深入的了解，并且可以在更廣泛的范圍內(nèi)使用它，就有可能在制造過程的幾乎每個(gè)方面都使用4D打印技術(shù)。

3.航空航天

在航空航天領(lǐng)域，4D技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得進(jìn)展。美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種柔軟的金屬織物，用于將航天器與隕石隔絕的大型天線。天線還可以捕獲源自其他行星表面的小物體。美國航天局的研究人員認(rèn)為，他們使用4D打印創(chuàng)建的智能材料還有更多應(yīng)用。在極端環(huán)境（例如太空）中，3D打印建筑物會(huì)涉與成本、效率和能耗有關(guān)的問題，但使用4D打印.利用其材料可變形的特點(diǎn)可以提供很多建造橋梁、庇護(hù)所或任何類型的裝置的解決方案，它們可以自行建造甚至在受到天氣損害的情況下自行修復(fù)。

4.機(jī)器人

機(jī)器人技術(shù)和4D打印都是21世紀(jì)中備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。很多行業(yè)都計(jì)劃將兩種技術(shù)結(jié)臺(tái)起來，以充分利用每種技術(shù)所提供的優(yōu)勢(shì)。3D打印專家Matt Griffin甚至認(rèn)為，未來，機(jī)器人可能會(huì)自己設(shè)計(jì)、打印、組裝。此外，4D打印可以幫助機(jī)器人專家在軟機(jī)器人領(lǐng)域取得突破。軟機(jī)器人技術(shù)旨在使用與活生物體中相似的順應(yīng)性材料創(chuàng)建機(jī)器人。使用4D打印將幫助工程師創(chuàng)建移動(dòng)和行為更像生命有機(jī)體的組件。Manuel Schaffner等人設(shè)計(jì)了一種用于硅樹脂軟促動(dòng)器的打印平臺(tái)，可將具有局部可調(diào)剛度的光固化有機(jī)硅的多種材料制成具有高可編程運(yùn)動(dòng)自由度的軟致動(dòng)器.從而滿足人類對(duì)與安全交互的機(jī)器人需求。

5.文藝娛樂

4D打印技術(shù)憑惜其驚人的發(fā)展成果，現(xiàn)在從純工程學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用已蔓延到了紡織和時(shí)裝行業(yè)。特別是紡織品、珠寶等時(shí)尚商品.可以根據(jù)環(huán)境或要求的適應(yīng)性配置使穿著者感到舒適。另外，當(dāng)4D打印與文化、教育相結(jié)合便會(huì)產(chǎn)生別樣的化學(xué)反應(yīng)。通過4D打印的文創(chuàng)產(chǎn)品，除了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品本身的功能外，還能夠增添產(chǎn)品的故事性，起到了輔助學(xué)習(xí)歷史文化知識(shí)的功能。當(dāng)4D打印與VR、AR等增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)相結(jié)合，便會(huì)給用戶帶來沉浸式的體驗(yàn)服務(wù)。由此可見.4D打印新技術(shù)在文藝娛樂方面的應(yīng)用開發(fā)具有廣闊的市場(chǎng)。

目前正在探索的4D打印的潛在應(yīng)用聽起來可能只是在科幻小說中才有可能，但是智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、3D打印機(jī)和無人機(jī)在成為現(xiàn)實(shí)之前，也同樣讓人覺得不可思議。與許多其他新興技術(shù)類似，實(shí)際應(yīng)用中的4D打印仍然面臨許多挑戰(zhàn)，這也提醒了我們，4D打印還很年輕，未來的發(fā)展需要大量的努力。