4D打印将颠覆未来时装产业

刘树英

3D与4D同台演示

这是哈佛大学新工业技术实验室（HUNITL）最近进行的一场别致趣味的技术演示：部分研究人员使用纤维素纤维、木浆丙烯酰胺水凝胶等材料制作出了一种特别的胶状物。当从3D-Nylon 12-3D打印机喷嘴中被挤出时，其中具备方向特性的纤维会对准挤压轴，从而制作出一件新颖时尚的比基尼泳衣；虽然3D打印服装目前还尚未真正普及，但这并未阻止科学家推动4D打印的发展——另一些研究人员则使用形状记忆聚合物纤维进行4D同台演示，他们利用第四维度的时间推移技术工艺，几乎同时制作出具备自身变形能力的防晒披肩与胸饰花朵。

颠覆打印的时新技术

究竟什么是4D打印技术呢？据美国《外交》双月刊网站最近报道：美国国家工程院（NAE）发表了题为《准备迎接4D打印革命》的文章。该文章的内容简要如下：研究表明，数字化制造的真正前途在于第四度空间——打印根据编程随时间而变化的物体。3D物体是静态的，需要人工控制，而4D物体能够自动对环境作出反应，自行组装、修补或变形。

NAE文章指出，4D技术领域的进步将更多地依赖材料本身，而非打印技术。与3D打印技术不同，4D打印技术使用的打印材料并不是传统意义上的粉末状金属或者塑料，它使用的是一种变形材料。人们只需要通过电脑将所需要的物体的模型和时间设定完成，不需要借助打印机，变形材料会在用户设定的时间内自动变形成为用户刚刚设定完成的形状。

4D打印技术是一项具有革命意义的打印技术，目前这项技术由美国麻省理工学院（MIT）与Stratasys教育研发部门共同开发。在MIT，建筑师斯凯拉·蒂比茨将一种新颖的吸水纤维材料用于3D打印机，制造出了一种线状物体，该物体被放入水中时，能改变形状组成字母“MIT”。这是通过将吸水聚合纤维与碱性无机纤维相结合来实现这一效果的。

该文章认为4D打印结合了各种技术、方法和学科，具有广阔的制造应用前景。例如，4D打印可以用于长期受成本高昂、功能优异等因素困扰的特种服装系列。利用可编程的材料，每件服装都能适应变化的环境，通过扩大或缩小来调整合身度和舒适性。这种服装甚至还能在受损时自行修复或在报废时分解。美国陆军已经开始利用4D打印技术，研发用于军队服装的新装备。

三、全球第一件“4D裙”

尽管4D打印技术出现的时间还非常短，但这并不影响它的发展。作为一种全新的制造方式，3D打印服装的确正在给传统的服装制造业带来深远的影响。这不，美国麻省科技设计公司神经系统研发小组近日研发出一种利用4D打印技术，制造弹性贴身布料，并打印出了全球第一件“4D裙”。

该裙子就解决了不合身的问题，并且会根据穿戴者的体型情况进行自我改变。更神奇的是还可以自动变化造型，这或许正是女性衣柜里缺的那件衣服。而制作该裙子的面料纤维由2279个三角形和3316个连接点相扣而成，三角形与连接点之间的拉力，可随人体形态变化，即使变胖或变瘦，4D裙也不会不合身。

这条裙子在打印机内部所需要的空间比打印普通3D模型要大很多，但是技术人员仍然很完整的打印出了整条裙子。同时，研发人员还用4D打印技术打印出了一系列与这条裙子搭配的围巾、脖饰、胸花、腰带与珠宝首饰等，而这些首饰毫无疑问的也是可以根据人体结构而自动变形的。

该神经系统研发小组所采用的4D打印材料采用的是“选择性激光烧结技术”，是利用激光束烧结尼龙粉末材料制造原型，激光束不会烧结三角形与连接点之间的粉末，未被烧结的粉末于打印后掉出来，形成环环相扣的预设形状的纤维缕空裙，每条裙造价则达1900英镑，而这价格丝毫不影响女性对它的亲睐。

智慧材料的开发应用

除了设备本身的制约之外，4D打印服装所面临的首要问题是对智慧型打印材料的需求，因为比较于3D打印而言，4D打印对所需材料的要求更高。

首先，4D打印所需要的并非一般的普通材料，而是带有记忆功能的智能材料，是一种能感知外部刺激，并能够通过判断而进行自我变形、组装的新型功能材料。

其次，该材料不仅具备3D打印材料的那种可打印性，还要具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我变形能力、自我组装能力、自我诊断能力、自我修复能力和超强适应能力，以及快速响应的变形、组装能力。

再就是4D打印服装的材料不仅能够具备“时间”的认知，还需要具备感应介质催化而触发自我组装的特定性能，而且催化介质不一定只能是水；伴随着新产业科技的进步和4D打印服装技术的发展，根据不同的打印材料，势必将借助于光、声、热、水、气、温度、震动或电子触发等任意催化介质，实现对多种类材质面料适用的自我变形的介质触发效果。因此对4D打印服装的材质面料的开发和应用，将成为创业者们重要的方向和道路选择。

哈佛大学工程应用科学院和威斯生物工程研究所的科学家们一直在努力进行微型4D打印技术的研发。该研究团队受暴露在外界刺激而随着时间改变的植物的启发，开发出由两种特殊纤维复合的水凝胶物，将其浸泡于水中后，便会自动变形生成可预见的形状。该研究团队的负责人珍妮佛·A·刘易斯表示：“这项工作证明了通过多学科方法使可编程材料组装变为可能。目前我们的4D打印材料研究已经超过了结合形势和功能的阶段，进入了构建可变形结构阶段。”举个例子，设想你将一小块面料扔进水里，你看到的并非是一小块湿面料沉入水底，而是自动变形成一件造型完美的短裤沉入水底。

而美国弗吉尼亚理工大学的威廉姆研究小组又向前迈进一步，他们将4D打印同纳米材料结合在一起。在打印出的物体中嵌入纳米材料，就可以制造出能在电磁波（可见光和紫外光）的作用下改变属性的多功能纳米复合材料。例如，利用会在不同光照条件下改变颜色的嵌入式纳米材料，在这类新材料的基础上，该研究小组开发出了植入传感器的全新恤衫、胸罩和衬衫，用于测量血压、胰岛素水平和其他健康医学指标的极限数值。

4D打印除制造一些智能服装和可穿戴式保健用品等可编程物体外，还可以用于制造能根据外界环境及人体体征来调节温度的新型作战服。最近，美国海军部投入了近千万美元，资助一项使用4D打印制造动态伪装军服的研究。

4D打印服装的变革优势

随着3D打印从概念转入生活化，4D打印的发展步伐也在日益加快，市场蓝图已经徐徐打开。那么，在科技迅速发展的当下，4D打印作为传统服装制造业的变革方向和新技术创业者的契机，又具有哪些独特的优势呢？

优势1：大幅降低制造成本。不论是现代制造技术，还是基于工业4.0、中国制造2025的新制造技术，对于生产复杂或者个性订制服饰产品来说，无论是制作还是加工成本都是偏高的，甚至还会随着部件的复杂程度同比例上涨。而在4D打印技术支持下的服饰产品制造，部件与产品本身结构的难易程度将变得不再重要，因为通过对整体产品不同饰件进行的一体化打印以及可变形自组装将让组装成本化整为零，最大限度地降低服饰产品的生产制造成本。

优势2：个性化订制成本不变。在当前的制造技术与环境下，小批量订制服饰的成本还是处于一个比较高的位置，更别说私人订制，其成本或许要以艺术品的角度来看待。随着4D打印技术的介入，私人订制的成本将与传统的批量化制造画等号，甚至更加低廉。因为在传统服装制造中被认为是很复杂的结构、工艺，到了4D打印面前，都将变得简单化，尤其是成本不会受部件的复杂程度而波动。

优势3：取代人力加工成本。4D打印的产品部件将不再需要厂家或用户自行加工。厂商根据用户的需要，将所制造的服装产品运送到指定地点放置好后，用户在需要的时候直接给予介质触发，打印物就会实现自动组装，这就取代了当前依赖于人力进行加工或拆解的方式，人力成本也将由此得到释放。

优势4：放大创意空间。对于很多服装设计师而言，最痛苦的就是创意很丰满，现实制造却难如意，也很骨感。而4D打印技术可以毫不夸张地说，但凡设计师能描绘出来的创意构想，都能不折不扣地得到实现，真正做到让创意设计的价值获得充分实现。

优势5：降低制造专业性。当前的服装制造不论是简单或复杂，都在一定程度上对生产工人提出了专业和熟练要求，尤其是一些专业性要求高的制服领域，其对于工人的专业技能和熟练程度都提出了较高的要求；而且技术的培养都需要经过多年的训练和沉淀，中间还存在所培养技术人才流失的较大风险。4D打印技术的应用，大大降低了对于复杂制造服饰的专业技能要求，并且可以帮助我们承担相当部分的“高难度”工艺制作，从而有效降低服装制造的专业门槛和人才流失风险。

优势6：有效简化制造环节。大部分的服装成品通常都是由多个零部件组装而成的，而不同零部件则需要不同的设备为其配套制造。所以对于厂家来说，这不仅占据了较大的场地空间，投入成本也是水涨船高。4D打印技术则全然不同，它只需一台打印机，根据不同的材料以及用户所设定的不同服装部件与饰件形态直接打印不同的部件或整体产品。若是部饰件打印，则可以通过自我驱动组装。

优势7：不良率将成为过去式。传统服装制造企业最常规的生产制造考核指标就是对不良产品生产率的控制，这也是决定着企业经济效益的关键指标。在4D打印时代，不良率这个名词在生产制造过程中或将走向历史的终结，而决定着产品能否满足用户需求的关键将被转移至设计端。也就是说未来决定服装成品是否合格的关键要素不再是制造环节，而是设计环节，由服装设计师决定。

优势8：零库存的生产方式。对于生产制造服装企业来说，所有的商品即是资产，同样也是其资金成本的核心部分，一旦销售周转放缓将直接导致资金周转率降低，进而影响利润。通过4D打印进行的服装制造将有效缓解这个问题。厂家根据消费者的想法随时提供服装设计、打印制造的服务，做到“即买即造、即造即销”，真正取代传统的库存销售方式。

优势9：减少资源环境的破坏与浪费。传统的服装生产过程往往是浪费和肮脏的。在许多方面，4D打印服装将会减轻浪费和碳排放。

比如4D打印制作服装只借助于光、声、热、水、气、温等触发介质，而不需要各种复杂繁重的机械与设备；又如4D打印只使用构成产品的材料，极大地提高了原材料的利用率，大大减少材料浪费。特别是在传统服装产业中，很多产品与材料往往要经过长途跋涉才能到达消费者手中。随着4D打印的普及，生产和装配可以在当地或个人身边进行。只有原材料才是唯一需要运输的东西，而且它们占用更少的运输空间。所以大大减轻了服装开发商、生产商与销售商们技术服务的压力。

优势10：材料无限组合。对于当今的制造技术来说，将不同原材料结合成单一产品是件比较困难的事情，因为传统的服装制造机器在纺织或成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。尽管多种材料的混合注塑在一些领域已经被应用，但其成本与不良率都相对较高。4D打印技术的出现将让这一现象得到改变，在4D打印过程中，我们可以将多种不同材料通过同一台设备进行混合打印，不论是聚合物类、生物质类或是其他的合成纤维，这也意味着在不久的将来一件完整的多功能可变形服装将直接通过4D打印的方式生产制造出来。

4D打印服装发展前景

4D打印所追求的是让材料以编程模拟的方式，随着预定时间的迁移，自我进行并完成自动形变的新一代工艺技术。展望未来，4D打印是以智能化、自能化为基础，以个性化、时间流程为特征，实现直接制造、现场制造和批量定制的新型制造方式。其未来巨大潜力的生长点表现在：与生物工程的结合，与智能艺术的结合，与消费者个性的直接结合。从市场角度分析，由于人们生活水平的提高与生活方式的改善，多种形式的娱乐与休闲、运动与健身健美等服装消费水平将不断提升；其市场发展前景乐观，潜力可观。所以，4D打印技术将会对服装产业、消费者、市场形态和全球经济产生以下发展动向：

第一动向是开创私人定制新时代。在现在这个所有日常用品都是批量生产的时代，人们都感觉个人定制是非常重要的，基于每个人的体形与脚型都是独特的，定制服装与鞋帽就显得格外重要。如果未来每个人都可以通过4D打印技术定制完全贴身的服装与合脚的鞋款，并且将其用于生产，那么服装与鞋帽的设计理念、产业模式与市场形态都可以完全改变，这是时装产业跨时代的变革。

其次，4D打印服装将改变整个商业生态。尽管目前4D 打印还只是处于概念阶段，并且能够支撑或者说具备时间认知能力的材料还很少，但科技的发展在出现苗头后总会以惊人的深度裂变。如果说3D 打印改变的是制造业生态；那么4D 打印改变的将是整个商业生态。未来，当我们拥有一台4D 打印机，在家里或是特定的地方打印几层材料，再通过特定介质触发，过一会儿，一件豪华钟意的婚礼服或一件繁花似锦的针织毛衣就自动组装好并呈现在眼前，我们不再需要亲自动手组装。因此4D打印所带来的不仅是材料的革命，更是商业生态的革命。

另一动向是无限目标导向设计。4D技术允许打印服装及其饰件应用无限复杂的几何智能材料，因此可能成为人类有利的限制因素。目前，计算机辅助设计（CAD）工具用于手动创建文档和分析设计。开始你要有明确的目标因素，如力度、重量、耐久性和计算机生成上百的设计的可能，根据目标导向为不同的目标推荐最好的设计。结合4D的时间维度可以打印的无限形状和材料以及强大的计算机设计，没有人可以想象，在将来最好的服装设计师不是想出最好设计的人，而是懂得计算机无限目标导向4D时间维度设计的人。

4D打印服装的发展还将创建新的艺术媒介。“艺术创客”运动正在变得越来越小众，而艺术服装与服装艺术也在借助高新科技颠覆传统的设计艺术与制作工艺，创建新的艺术媒介。新兴的4D打印技术正在被用来创造与创建一种新的现代服装艺术形式，特别是用于造型奇诡、风格独特的时新异彩服饰的制作，这类服饰的制作成本通常比较高昂，工期长难度大，但是4D打印技术却可以轻而易举解决这个问题。

作为一种全新的制造方式，4D打印服装将给传统的服装市场更为深远的影响。据全球市场研究公司Marketsand Markets发布的报告显示，先进的3D和4D技术，如3D打印、3D成像和计算机辅助设计、4D打印、4D现实设计软件等将推动3D和4D技术在2022年预计达到3141.7亿美元。这将是令人难以置信的数值，在2016到2022年期间，其年复合增长率接近17%。有很多行业来推动这个市场的扩张，包括服装和鞋类产业和产品市场都是推动4D打印发展的基础。另据咨询公司Wohlers Associates 的预计，未来5～10 年全球快速成型市场将继续以年均20%的速度膨胀，预计至2024 年，4D打印服装市场规模可达500～1000亿美元的总量。