4D打印初现光芒

刘露

2013年，在美国加州举办的TED（技术、娱乐、设计的英文缩写）大会上，麻省理工学院（MIT）的科学家斯凯勒·蒂比茨为大家表演了一个技惊四座的“魔术”。

他将两根貌似普通的长绳扔进水中，绳子很快发生了不可思议的变化：一根绳子像有生命一般，慢慢地卷曲、变形，然后自动形成了字母“MIT”的字样；另一根绳子则似乎在做机械运动，折叠成多个90度直角，最后形成了一个规整的立方体框架。整个过程完全没有人工参与，看起来就像是材料拥有了自我意识，在进行自我加工变形。

这个“魔术”究竟是如何做到的？实际上，初看无特别之处的长绳主要由两种材料合成。一种是高分子聚合物，在水中可以延展到自身原来长度的两倍；另外一种材料则可以在水中保持固定形态。借助设计软件和3D打印机，蒂比茨将可延展和不可延展的两种材料混合打印到一缕绳线中，只要将它放入热水浸泡，用不了多久就可以弯曲变形成预先设定的形状。

这就是4D打印技术。4D打印并不是“第四维度”，4D打印比3D打印多出的一个“D”指的是时间维度，人们可以通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。

形象地讲，4D打印技术=3D打印技术+时间，即由3D打印技术打印出来的复合材料，随着时间的推移，慢慢发生自我调整，实现自我变形。这种变形是在打印之前就设定好的。换句话说，4D打印是在原有3D打印技术的基础上，赋予材料自动变形的能力，研究人员通过软件完成建模，将想要的形状输入材料当中，变形材料就会按照预先的设定完成变形。目前的4D打印需要外部能量来刺激内在的变化，例如TED大会展示的模型就用水作为触发条件。

当然，不是所有材料和水接触后都能完成“自主组装”，解码和材料选择是关键。蒂比茨将想要制作的内容进行解码，这是一种类似于解析人类DNA序列的逆向工作。然后，他选择普通塑料和一种活性物质（蛋白质），将解码后的序列植入其中。接下来奇迹就出现了，这些带着“智慧”的物质会按照设想发生形变，“它们可以扭转正120度、负120度，直至到达最精确的位置”。

“要知道，打印其实并不是一个新鲜的概念。”蒂比茨说，“可是当它涉及未来的变化时就不一样了。我们可以随意生成很多架构，利用材料的弯曲和扭转来改变生活中的很多方面。如果地下水管能够实现自我伸缩，以应对不同的需求和流量，这样就能够节省掉挖掘街道的步骤了。”

与3D打印需要建模、扫描不同，4D打印更为智能，物料可自行创造，简化了打印过程。4D打印让快速建模有了根本性的转变。与3D打印的预先建模然后使用物料成形不同的是，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”的过程。让物体如机器般“自动”创造，不需要连接任何复杂的机电设备。蒂比茨说：“这就像是机器人，只是没有了电线和发动机。”

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，或是暴露于水、空气、重力场、磁场或感知到温度改变时会改变自身的形状。4D打印技术的出现，有可能在未来彻底颠覆传统的制造工业，让制造行为在一些严苛的环境条件，如外太空，变得更加容易。

4D技术的出现让业界为之振奋，这种分形艺术的奇妙让全世界的设计师和建筑师为之痴狂。想想看，你只需要在电脑前将一座摩天大楼进行解码，然后输入到特定的材质当中，它就可以自动“长”出屋顶、承重墙以及电梯间……

此外，这一技术还有可能应用到家具、自行车、汽车甚至是医疗领域。不过，由于解码的步骤非常复杂，所以目前4D打印技术还只能“打印”可以自动变形的条状物体。接下来蒂比茨和他的同行们的研究目标是“打印”片状物体，然后才是结构更加复杂的物体。尽管还不够完善，但蒂比茨显然已经触摸到改变未来世界的“门把手”。

有人甚至预测，4D打印技术将使得房屋建筑真的可以自动“长”出屋顶、承重墙。传统建筑过程一般是先设计出图纸和模型，再按设计施工建造，甚至还要一边搭建一边调整模拟的设计效果。不过，在4D打印时代，产品将变得更加智能化和人性化，危险地区的工程将不再需要人的参与，桥梁、水坝、公路、房屋……，一切都将按照设计自行建造。人们只需坐在电脑旁，根据自己的想法和需要，设计出适合自己的产品，然后轻点一下“打印”便大功告成。

4D打印技术目前还不成熟，但研究人员相信，4D打印不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物，还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业，与此前的3D打印技术相比，它将具有更大的发展前景，带来生物科学、材料科学、机器人、交通运输甚至太空探索领域的革命性变化，未来它的发展前景将十分广阔。对此，我们拭目以待！

【责任编辑】赵新宇endprint