4D打印

大可

2013年，我们在“神秘魔方”里说过3D打印，那时就对3D打印机崇拜万分：它能打印房屋、蛋糕、皮肤……

遗憾与希望

没想到，3D打印会那么火，前进的步伐会那么快。2015年，苏州工业园区用3D打印建成了别墅、楼房。2016年6月，北京大学第三医院宣布，为一名病人切除了患有肿瘤的五节段脊椎，植入了世界首个3D打印脊椎！有了这个形状、功能都与真脊椎相近的3D果实，病人完全可以像正常人一样生活和工作了。

不过，记得2013年介绍时还是留了点遗憾：3D打印机也是有缺点的。比如，想造多大的建筑，就得造多大的打印机。

去年7月，北京一家公司的厂房旁边，一幢世界上首个3D整体打印的别墅亮相，两层楼，长和宽都是15米左右。那么担负重任的打印机有多大？长20米，宽和高都是6米。

一个标准篮球场有多大？长28米，宽15米。也就是说，这架打印机得横着才能进入篮球场！

而苏州那家公司的打印机更是达到长32米，宽10米，高66米！

如果要造摩天大楼，这个打印机也一定是个巨无霸了！

你说，不用“整体打印”，一块砖一块砖地打印不就好了吗？

且不说这样做失去了打印优势之一的节约时间，那么多的材料，堆放起来要占多少地方？与采用现在的建筑材料相比，也没有优势可言！

但2013年时我们是充满了希望的，随着科技的发展，相信人类总会不断创新、不断发明，3D打印机不就是一个活生生的例子吗？

哈，好有远见哦，科技果然迅猛发展，再也不需要巨无霸的打印机了！那是因为有了——4D打印！

XYZ+

3D也就是常说的“立体”，也叫“三维”。我们已多次提及：无论是人、盒子、流水等等物体，都有长、宽、厚（高）或者左右、上下、前后，没有3D就没有物体的存在。长、宽、厚（高）或者左右、上下、前后也可以用X、Y、Z来表示。

那么4D呢？一般来说，就是XYZ+时间，因为所有物体还都存在另一个空间里，这个空间叫“时间”。

对4D打印来说，这“第四个”可以叫时间，也可以叫“形状”。新鲜事物嘛，不同的研究者就会有不同的说法，当然，也是因为他们对这“第四个”有不同方向的研究。

很有意思吧。科学有很多成果.都是经过反复研究、实验才得到的。在这之前，一个目标，不同的人会走不同的路，有的成功有的失败，或者最后的成功达到的是不同的目标。

对4D打印还有一种解释，是把两者综合起来，说出了4D打印的奇妙之处：不再像3D打印那样，打出来什么样子就是什么样子，而是可以根据预先设定的时间，在一定条件的触发下，打印好的材料自动发生形状的改变。

举例说，摩天大楼为什么不需要巨无霸的打印机就能打印出来？

打印机打出了一块块薄片，放到准备建造摩天大楼的地方，时间一到，在一定条件的触发下，薄片变成了外墙、立柱、屋顶…形状完美地诠释了设计要求，没一点差别。

那么，什么叫一定的条件？

简单说吧，就是给材料一定的能量，可以是受水的触发，或叫激发，也可以是因为温度或者磁性等的条件。

看出什么奥秘了？

对，关键就在材料！

材料为什么触发后会变形，而且与设计吻合？

因为，它有“记忆”！设计师掌握并巧妙地利用了它的“记忆”！记忆的魔力

没有生命的东西也有记忆？哦，这并不神秘！

浙江大学的科学家，发明了能记忆的“聪明塑料”。只要预先给它“置入记忆”，也就是“教”它“记住形状”，当给它热能量后，立刻会变成复杂的形状。比如，一片塑料薄片，放人一定温度的热水中，短短几秒钟就变成了一只飞鹤！这是国际上首次实现的复杂变形。而且，聪明的塑料，不仅可以记住一次变形，还可以重新置入记忆，记住其他形状。

除了塑料外，金属、纺织品等等，也有记忆材料，生活中已用上不少，比如，能“记住”一个人最舒服的所戴眼镜架形状的记忆金属眼镜架、能“记住”一个人最舒服睡眠姿势的记忆棉枕头。

有科学家形容说，记忆材料就如橡皮筋，把它拉开后，可以保持变化后的样子，一旦松开，就会恢复原样。所以，记忆金属眼镜架可以按照你的需要弯曲，若不小心被强力扭折，只要放进一定温度的水中就可以复原。

记忆材料除了在生活中使用以外，在别的地方更是派上了大用场。比如，螺丝、螺帽拧紧以后，让它“恢复记忆”，回到原来样子，会使连接部分更加紧实，不会因为受到震动等轻易脱落。把人造骨骼先做得细小，不用开大刀就能通过小口子进入身体，然后在身体温度的触发下，打开来成为需要的形状。还有记忆轮胎，当轮胎被刺穿后，会一下子把有漏洞的地方封住，去除刺穿的“元凶”后，破口处会自动收口，完全堵住漏洞，不用换胎……

顽皮的分子

它们的记忆从哪儿来？

听说过水分子没有？一滴水就是无数水分子组成的呀。

你肯定知道，水在不同温度情况下会变化.分别为液态（水）、固态（冰）、气态（水蒸气）三种模样，那么温度促使什么起了变化？就是改变了水分子的间隔、排列方式造成的。

也就是说，改变了分子们的连接方式，就会改变水或者其他一些物质的模样。

发明“聪明塑料”的科学家，是在材料中加了一些东西，“指挥”塑料分子们重新组合连接方式，让它们在需要的时候“变形”。科学家很形象地说：这相当于很多分子手拉手跳着集体舞，当处于较高的温度时，分子之间相互“换手”，找到新伙伴，形成了新的“队形”，产生永久记忆。而当处于较低温度环境下.材料即使被折叠成其他形状，分子之间也不会“放手”，所以遇热还是能恢复原有形状。

好处多多

4D打印就是利用记忆材料“可变形”的特性，在打印之前，运用软件，将想要打印的模型、触发材料“记忆”的时间，设定到能够自动变形的材料中。

软件，你肯定不陌生。比如，网上下载一个计算器软件，就可以用它来加减乘除了。软件有多种多样，有机会再来讨论。

材料打印出来后，到了设定的时间，经过触发，就得到了与预先设计一模一样的实物。

这样做有什么好处呢？

太多啦，举例说：简单，设计好了就可以直接“开打”；省事，打印出来的东西体积小，运输起来很方便，这样也就不必把打印机挪来挪去了；给人带来安全，比如空间站和卫星出了问题能自我修复，人不必冒着生命危险出舱修理，在地球上也这样，在危险的地方架橋，就完全可以利用4D打印来实现。endprint