令人神往的4D打印

张唯诚

这些管子能根据温度和水流的变化而自主改变形状

现在3D打印已被人们广为熟知，将会极大地改变人们的生活。设想一下，当一台打印机连接上你的家用电脑，它就能为你生产任何东西。没有了牙刷？没关系，打印一把;需要新鞋、新裙子？没问题，让打印机制造。你只需要告诉你的电脑所需物品的样式和尺寸，电脑就会指挥打印机为你打印出来。可是，如果你仅了解3D打印，那可就OUT了。

从3D打印到4D打印

3D打印的过程是“做加法”，即从底部到顶部，一层层地将材料“堆积”上去，最后形成产品，所以有人将3D打印称为“添加式的制造业”。

在3D打印开始前，人们必须创建一个电脑文件，它要描述被打印物品的三维形态，包括大小、形状、颜色等。然后，人们要操纵电脑将设计好的物品转化成数据化了的虚拟的“薄片”。接下来，打印机就开始工作，它一层层地堆积“薄片”，直到“堆”成你想要的产品。

3D打印的材料五花八门，有金属、塑料甚至巧克力、奶酪等食材。打印出的“产品”也多种多样，电灯泡、收音机、遥控器、手机、食品、玩具等等，人们还用3D打印复制骨头、牙齿以满足医疗需求。现在，科学家们开始研究是否能用月球上的土壤打印一个月球基地，以及为未来的深空探险打印食物。

然而，人们还有更多的想法。美国康奈尔大学的霍德·利普森在考虑“是否能打印一个机器人，然后让它从打印机中走出来？”这听起来像是一个笑话，却是有根据的。根据就是4D打印，也就是说，这种打印是四维的，它突破了打印科技现有的局限。

用3D打印制造出来的产品是不能动的，假若没有人为干预，它们就做不了任何事，而且不论把它们搬到何处，它们都还是原来的那个样子。然而4D打印就不一样了，其产品能回应环境刺激，适应环境变化，改变形状、大小和颜色。

尽管这种科技还处在起步阶段，但人们已经能够感受到它广阔的应用未来了。例如，士兵们有可能穿上随环境变换颜色的伪装服，宇航员可以建造能变幻形状的太空站，等等。至于像利普森这样的科学家，他们甚至想到利用4D打印改变现有的机器人制造业，那就是让4D打印机打印出机器人，然后让机器人生产能打印机器人的4D打印机……

给材料“编程”

要让这些想法变成现实，科学家们必须首先找到“智能”材料，即可以“编程”的材料，但它们并不是计算机，只是具有某种奇特的性质而已。例如，能按照人的意愿发生弯曲，能感受压力，能感受温度，将它们放在磁场中能从液体变成固体等，这些能力使它们看上去就像是被“编程”了一样。

2014年，美国麻省理工学院的斯凯拉·蒂比斯向公众演示了4D打印的原理，从而使人们看到了4D打印的未来。一段细丝被放进一个水槽中，它开始扭曲变形，先是一端翘起并且扭动，就像拥有某种机械装置一样，接着中段也出现弯曲并且拱起。细丝的变化过程一直显示在屏幕上，最后它变化成了3个清晰的字母：MIT（麻省理工学院的英文缩写）。细丝变化出了什么形状并不重要，重要的是它是如何变的，为什么能够这样做。原来，细丝的变形能力来自于材料内部的某种“程序”，它在控制细丝的行为。

人们设想用月球上的土壤“打印”一个月球基地

研究人员正在寻找新的材料去打印能够做出更复杂变化的物体，他们使用的材料多种多样，包括木材、碳、颜料和金属等。与此同时，他们也力图使这些材料获得另外一种优势，那就是减少废弃物。科学家们认为，既然材料能通过“程序”使它们按某种路径发挥功能，那么使用同样的方法也能让它们以某种方式停止工作。它们可以自我还原，自然修复以适应新的用途。即便它们没有用了，也能自我降解以进入自然的循环，还能还原成最基本的成分以用于构建新的产品。

物体的第四维

相比于3D，4D多出的一维来自时间。时间是继长、宽和高之后的第四维。物体随时间变化，可移动、变形或者改变属性。同样，4D打印的产品也可被设计成能随时间而变化。例如一扇窗帘，它能改变形态使更多或者更少的阳光照进屋子。假若人们设计出一扇百叶窗，它能根据温度的变化调节角度甚至开启和关闭，那它就有了某种“智能”。现在的百叶窗都需要人们手工调节，如启动杠杆和小电动机。假若使用4D打印，就有望让材料自己控制这一切，这时百叶窗不需要外力，“智能”材料可以自己改变形状，满足人们的要求。

科学家们解释说，这种材料很像自然界中的食虫植物，例如捕蝇草等。当一有虫子触上来，捕蝇草就会发生一种“自动反应”，叶子立即会收拢将虫子捕捉起来。类似的情况，4D打印使用的材料也有类似捕蝇草的本领，它们对环境刺激做出反应。例如，一些有“记忆”功能的材料能“记住”自己最初的形状。当某种设定的温度作用于它们时，它们便恢复到原来的样子，这样一来，科学家们便可以用这种材料做很多事。将来有一天，人们有可能用它们制造飞行器，它们的翅膀会自主地变形和弯曲，想来这种东西飞行起来一定会有更高超的表现吧！

初试锋芒

在医学领域，4D打印是最能大显身手的地方。在美国密歇根州，科学家们实施了一个使用4D打印拯救生命的项目。有3个小男孩患有一种严重威胁生命的疾病，即气管支气管软化症。这种病导致他们在呼吸的时候容易出现气管萎陷，从而危急生命。

通常情况下，这种病到了两三岁就不治而愈了，但这之前则非常危险。医生们需要制作一种装置植入孩子们的咽喉以保持气管畅通，从而帮助孩子度过危险期。这种装置是4D打印的，它可以随着孩子的成长而变化，最后自我消失。

研究人员首先使用电脑为孩子们的气管做一个三维X射线成像，并将成像的数据输入电脑，从而设计了一个名为“导气管夹板”的装置。这种装置能将萎陷的气管撑开。人们使用的材料是一种安全的塑料，和气管的质地很相似。他们用打印机将这种装置打印出来后植入孩子们的咽喉中。在接下来的3年里，这个装置随着孩子们身体的成长而自主地胀大，直到危险期过去孩子们获得正常的呼吸功能为止。装置本身随后自我降解，被身体所吸收。

前景看好，困难不少

在新加坡科技设计大学，材料科学家们正在研制一种有形状记忆能力的塑料，这种材料能从一种形状转变成另一种形状。例如，当它们遇到热、潮湿或者被某种光线照亮时，它们就会在形状上发生变化。

在实验室里，科学家们先将这种塑料打印成薄片，而这些薄片则能自己变化出各种形状来，这个过程被研究人员形容为“自主性的折纸工艺”。现在，这些塑料薄片已能自己折叠成盒子、金字塔和小飞机。它们还能先变成一个盒子，然后将自己展开成薄片，最后又还原成盒子。

总的来说，4D打印还处于实验性的概念阶段，虽然未来前景令人神往，但它的发展还存在着一些障碍。首先，传统的制造业并不能适应3D和4D打印，这就是为什么科学家们要设法开发新材料，研制合成材料的缘故。第二个障碍是尺寸，多数3D打印的产品都不小于几厘米，但在医疗应用的领域，这个尺寸就太大了，假若要使3D和4D打印适应生物医学科技的发展，这个尺寸应该小于几微米才行。

不过这些障碍是可以克服的，随着材料科学和打印科技的进一步发展，无论是3D还是4D打印都将一步步地走向成熟。

【责任编辑】庞  云