方兴未艾的4D打印

转自：新安晚报

　　据悉，德国慕尼黑工业大学和日本NTT医疗与健康信息学实验室的科学家共同开发出采用4D打印技术生产的柔性电极。

　　众所周知，对特定神经进行人为刺激可以治疗疼痛，但神经越细，与所需电极连接就越困难。研究人员此次开发出的4D打印电极，会折叠并包裹在超薄神经纤维周围，既可刺激神经，又可用电极测量神经信号。

　　目前研究团队已在动物身上进行了验证，结果显示，直径仅100微米的细神经纤维被包裹，却完全不会损伤神经。这一优点，将使它在未来医学领域发挥重要作用。

　　提起3D打印技术，或许大家都不陌生，但这种新型电极所运用到的4D打印技术，让不少人感到新奇。所谓的4D打印技术是什么？它和3D打印技术具有何种“血缘关系”？又有怎样的应用前景？

　　独特的造物方式

　　试着想象这样几个场景：你打算到超市买一张桌子，却买回来一盒“积木”，对照说明书一看，“给它洒点水，它会自动组装成一张完好的桌子”，于是你照此操作了一下，没想到它真的变成了一张桌子；你看中了一条裙子并网购回家，这件裙子虽然只有一个尺码，但经过设定不同温度的蒸汽熨斗轻轻一喷，你惊讶地发现，穿到自己身上或者比自己胖很多的妈妈身上都合适……这些神奇的场景，都来源于4D打印技术。

　　4D打印技术，是指利用“可编程物质”和3D打印技术，制造出在预定刺激下（如放入水中，或者加热、加压等）可自我变换形态、密度、颜色、弹性、导电性等物理属性的三维物体。

　　2013年TED大会上，来自麻省理工学院的研究员斯凯拉·蒂比斯将4D打印的“神奇之处”以最直观的方式第一次呈现在人们眼前：将3D打印制造出的多串绳状PVC复合材料放入水中后，这种材料自动改变自身形状，组成了麻省理工学院的缩写字母“MIT”。

　　这种自动变形的内在机理是什么？

　　现在大家都已知道，3D打印是一种逐层重复2D打印的操作，通过一层一层材料堆积的方式，构建一个涉及长度、宽度和高度三个维度的结构材料，在此基础上，4D打印增加了第四个维度，也就是多出来的“D”——时间维度。这一维度可以让物体随着时间的推移，自我进行变化。

　　相较于3D打印，4D打印的关键在于“智能材料”。这类材料能够以编程方式改变外形、光学等特性，因此也被称作“可编程物质”。目前其使用的智能材料主要有3种：液晶弹性体、形状记忆聚合物和水凝胶。

　　当4D打印的物体所处的环境条件发生改变时，不需要外力帮助，物体就会自动变形，组装成一种全新的形态。

　　以光敏树脂材料为例，这种智能材料在不同的压力、光照、温度或磁场触发条件下，可以呈现出不同的形态。科研人员利用4D打印技术，将这种材料打印成一朵梅花，当其遇热，梅花会收缩合上，一旦遇冷，又会重新开放。

　　事实上，自然界早有“4D打印”。在自然界，花朵会在阳光雨露的滋养下绽放，当阳光照向一侧时，植物会给背光的一侧发出指令，使其朝向光的方向加快生长。而这种植物会根据环境刺激改变自己形状的现象，正是4D打印的灵感来源。

　　在过去，3D打印是预先建模再打印出成品，而4D打印的逻辑，是把产品设计通过打印机嵌入可以变形的智能材料中，在特定的时间或激活条件下，按照事先的设计进行自我组装。

　　因此，4D打印技术本质上是创造出一种能够在被打印出来之后发生改变的物体，而且这些物体能够进行自我调整。这也预示着打印不再是创造过程的终结，而仅仅是一条路径。

　　多领域应用“全面开花”

　　2013年，第一篇有关4D打印的论文发表在《应用物理快报》上，阐明了受温度控制的三维打印结构变形原理。如今10多年过去，作为3D打印升级版的4D打印，早已呈“全面开花”之势，包括中国在内的世界各国围绕4D打印材料的选择、成型技术的创新、设计工具的开发等方面展开研究，4D打印技术功能更加多样，显示出良好的应用发展前景。

　　在医疗领域的具体实践中，4D打印技术和可变形材料中的形状记忆聚合物（SMP）的配合应用最为广泛。SMP的结构几乎都是简单的线性结构，类似于心脏支架、骨支架、气管支架等结构相对复杂的、个性化的、精度要求高的结构，传统的制备技术难以实现，4D打印的出现弥补了这一不足。

　　利用4D打印技术，科研人员制备了一种可应用于心脏瓣膜体内重塑手术的支架。这种支架具有网状结构，可以缩小到一定程度，并在植入后发生膨胀从而自动还原成最初的形状。机械性能测试表明,其性能可与动物试验中用于心脏瓣膜植入的常规镍钛合金支架相媲美。

　　与以往通过“定制”一套完整的程序来实现个性化产品制作相比，利用4D打印技术，用户可以在设计环节即时表达自己的想法，随时更新自己的创意，在产品设计中添加自己的个性化元素，最终生产出自己满意的个性化定制产品。

　　这项技术为制造业提供了无限可能，利用4D打印技术制造软件进行原形设计，打印后产品可根据实际需要，在特定时间或特定环境下自动组装成最初设定的形状，从而大幅降低产品的制造以及存储、运输成本，并能实现一定的特殊要求。

　　军事应用前景广阔

　　4D打印技术所展现出的自适应、自组装能力、甚至是自修复能力，让其在军事领域天然具有巨大的应用前景。

　　自适应伪装作战服是4D打印技术最先应用的领域。2017年，美国国家航天局采用4D打印技术制造出一种“织物”，这种织物具备两种不同的特性：内部结构能有效吸收阳光热量，织物中的复合材料在温度作用下膨胀收缩，使得织物具备自适应温度调控能力；同时，防护服的色彩能够根据周边环境自动变化或调节颜色，穿上它的军人能够完全融入周边的环境背景中，极大增强行动的隐蔽性。随着4D打印技术的出现和智能材料的发展，这种作战服的伪装功能正在得到进一步提升，或可在隐蔽作战方面对未来战场产生革命性影响。

　　其次，适应战场条件变化即时实现武器装备结构功能的再造，是4D打印的另一重要应用场景。在未来战场中，士兵只需携带打印制造的武器半成品，根据战场上周围环境和作战任务、作战目标的不同，随机应变优化调整参数，实现武器装备的自适应成型，在减轻士兵负荷、提高武器装备的环境适应能力的同时，提升作战的机动性和持久性。

　　在这方面，最典型的应用是野营帐篷、单兵救生艇、战场救护支架等后勤装备的携行使用。这些装备在打印后，可呈压缩或者折叠状态以便于存放，使用时再自动展开成预先设计的形状。这样就大大简化了组装的步骤和过程，减少了装配零件的成本，也更便于携带和运输。

　　此外，4D打印技术还可以应用于制造出具有强大智能进攻能力的新概念武器。

　　虽然4D打印的军事应用大多停留在理论研究或实验室状态，伴随着相关的智能材料、新型增材制造等技术的进一步发展成熟，我们有理由相信，4D打印技术还会取得许多突破性的进展，4D打印制造武器的明天并不遥远。 《解放军报》

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