四维打印技术概述

邵 文 邢明浩

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100190)

四维打印技术概述

邵 文 邢明浩

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100190)

四维打印技术是在三维打印技术的基础上增加一维时间元素，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折叠为所需的形状。相对于三维打印技术，四维打印技术更加“智能”，物料可自行组装，具有经济、高效、直接的优点。文章对这项新技术的相关名词、技术要点以及应用前景进行了简要介绍。

四维打印，自变形材料

三维打印技术方兴未艾，四维打印技术已经悄然来袭。近日，美国麻省理工学院宣布正在研制一种“四维打印技术”，该技术能够将可编程三维打印材料自动组装成预定的结构和外型。四维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其他行业。

一 四维打印技术的概念

2013 年2 月TED(Technology，Entertainment，Design)2013会议上，美国麻省理工学院自组装实验室主管、TED2012高级研究员斯凯拉·蒂比茨(Skylark Tibbits)首次公开展示了他与美国全球三维打印巨头Stratasys 公司合作突破的“四维打印技术”成果。通过三维打印机用特殊墨水打出的“智能材料”，与水接触时自动折叠成字母“M-I-T”结构。至此，四维打印技术浮出水面。

四维，是在爱因斯坦的三维理论上加了时间的概念，从而时间与空间相结合。所谓四维打印技术就是在三维打印技术的基础上增加一种随时间或随环境参量变化而改变其特性(例如变形或变色)和自我组装的能力。所以某种意义上说，四维打印技术中的第四个维度是时间维度t。需要指出的是，这里的t是广义上的时间，它可以表征一切四维打印材料中所隐含的可变参量[1]。采用四维打印技术时，使用的材料可以自适应、自编程改变形状，能够自动响应所接触到的水、空气或者重力、温度、磁性等变化，从而变成为预设的模型。可以说，四维打印技术比三维打印技术多了一种能力——变形，“这就像是机器人，只是没有了电线和发动机”。

二 四维打印技术的特点和关键

传统意义的造物过程一般是先模拟后制造，或者一边建物一边调整模拟效果，例如三维打印技术。三维打印技术是一种快速成型技术，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。与三维打印的预先建模、扫描、使物料成形不同，四维打印技术简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程，直接将设计融入到材料当中，让打印出的产品能够自行变形，无需连接任何复杂的机电设备[2]。

那么这个过程到底是如何实现的？实际上，Tibbits所用的四维打印材料是一种复合物，主要由两种材料合成：一种是在水中能够保持固定形态不变的材料；另外一种是在水中可以延展的高分子聚合物，通常可延伸到自身长度的两倍。首先研究人员通过软件完成建模，将想要的形状输入材料当中，再借助三维打印机，将两种材料混合打印到一缕绳子中从而形成“智能材料”，这种“智能材料”受到外部能量刺激，产生内在的变化。将绳子放入水中浸泡，用不了多久它就可以弯曲变形成预先设定的形状。可以看出四维打印技术的关键在于自变形材料。

三 四维打印技术的应用展望

在TED2013会议上，蒂比茨谈到了四维打印技术的应用前景。首先，在极限环境(如宇宙环境)下，因设备庞大、复杂、风险大、成本昂贵等特点，传统的制造技术存在难以胜任的问题。而四维打印的技术优势可以完成目前制造技术不能完成的任务，同时还能提高性能，增加系统间的联系与协同。在基建领域，可应用四维 打印技术开发创新基础设施。例如可以根据需要制作弯曲、扭动、变形而不会破裂的管道，在地质灾害频发的地区，这些管道甚至可以自我组装和修复。还可以利用智能材料进行道路桥梁的修建，同样能够大幅度节省城市基础设施建设的人力物力成本。

为了更好地应用这种改进的四维打印技术，Tibbits及其负责的麻省理工学院新实验室已经与一些私人公司合作，将该技术应用于诸如家具制造等领域。未来涉及的领域可能包括：生物、材料科学、软件、机器人、制作业、运输业、基础设施、建筑业、艺术及太空探索[3]。相信对于任何使用中的物品，只要你想对其进行改动，那就有应用四维打印技术的前景。

四 结 语

四维打印技术潜力无限，从日用消费品到生物医学实践，从航空航天工业到体育界。该技术是三维打印技术的延伸，它使打印不再是创造的终极，而仅仅是一条路径，四维打印产品具有经济、直接、高效的巨大优点。事实上，三维打印机从构想到广泛应用于生产、生活，前后只用了20年的时间。有理由相信，在不远的将来，四维打印也将成为人类世界不可或缺的一项技术。

[1] 邓甲昊，王萱.4D打印 一项左右未来世界产业发展的革命性技术突破[J].科技导报，2013,31(31):11.

[2] 中国科技网.4D打印技术呼之欲出 自变形材料可实现自动组装[J].黑龙江科技信息，2013，(29):VI-VIII.

[3] 美国麻省理工学院正在研制“4D打印技术”[J].今日印刷，2013，(7):30.

Overview of 4D Printing Technology

SHAO Wen XING Minghao

4D printing is a technology which adding one-dimensional time element on the basis of 3 D printing. People can set models and time by software, thus modified materials shape in set time. Relative to the 3D printing, 4D printing is more intelligent, because the materials could be assembly by itself, which has the advantages of economic, efficient and direct.

4D printing, modified materials

2014-06-15

邵文(1985—)，女，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心专利实质审查员，主要从事电和磁变量测量测试领域的专利审查。通信方式：shaowen@sipo.gov.cn。

N04；TB381；TP2 文献标示码：A

1673-8578(2014)04-0054-02