4D打印技术及其军事应用前景

徐可 李晓红

目前，增材制造技术主要包含3D打印和4D打印等。其中，3D打印可在打印区域的长度、宽度和高度3个维度成型具有任意复杂形状的构件，它要求构件的形状、性能和功能永远稳定。4D打印则在3D打印的基础上，与自组装技术相结合引入了时空维度：通过对材料或结构的主动设计，使构件的形状、性能和功能在时间和空间维度上能实现可控变化，满足变形、变性和变功能的应用需求。

因此，4D打印技术的本质是3D打印技术与可变形材料、新型设计技术的统一体：借助先进的多材料3D打印工艺，采用可变形材料作为原料，在对材料形变精准预测的基础上开展动态设计，使最终产品具备所需特性。这种独特的能力使4D打印技术有望制造出具备颠覆性功能的产品，从而变革产品制造、装配、储存、运输等环节，非常契合国防领域的需求。

4D打印技术与3D打印技术的区别

3D打印技术是一项诞生于1984年的快速成形技术，通过计算机辅助工具，将三维数字模型逐层堆叠成形。而4D打印技术则更进一步，采用新型材料和先进设计技术，使制造出来的实体形状、性质能够可控变化，从而实现特殊功能。

3D打印与4D打印技术的区别对比

一是打印材料不同。3D打印技术通常采用形态稳定且不易产生较大形变和性变的热塑性塑料、金属、陶瓷等材料;而4D打印技术则采用可在特定条件下产生特定形变和性变的可编程材料，从而赋予产品更多的功能。

二是形变和性变能力不同。3D打印技术力求使制造的产品形状和性能稳定，最大程度地降低产品的形变和性变;而4D打印技术则充分利用制造完成后产品产生形变和性变的现象，使产品可以根据环境条件变化而产生不同的功能。

三是设计方法不同。3D打印采用的是实体静态设计，设计人员只需要设计产品的单一形状和性能即可;而4D打印则要求对产品进行动态预测，不仅要设计出产品的最终形状、性能和功能，还要根据材料特性进行材料编程，设计出产品中间的形状和性能。

4D打印技术发展历程

4D打印技术于2013年由麻省理工学院首次进行展示：将采用4D打印技术制作而成的聚合物链条置于水中，链条自动折叠形成预先设计的形状。这种链条由两种材料采用增材制造而成，一种在水中膨胀，另一种体积不变。遇水膨胀的部位压迫其他部位产生形变，形成预定的形状。此后，4D打印开始逐渐受到不同学科研究人员的关注，在设备、材料、软件、设计等技术方面开展相关研究。

4D打印技术的诞生可追溯至2007年美国国防高级研究计划局（DARPA）开展的“可编程物质”项目研究，该项目旨开发出一种可在软件控制或外界刺激的条件下转变成理想或有用形态的智能材料，实现根据需求在现场快速制造物资，并使军事装备能够根据指令改变形状。DARPA设想中的可编程物质是一种智能材料，包含驱动及传感机制，可以在软件控制或者外界条件的刺激下变形成为有用的形状。可编程物质的设想应用包括三维实体显示、可变形天线、可重构电子设备以及多功能现场制造设备等。

DARPA计划从模块化机器人、新型材料、纳米技术、微机电系统等多个领域对可编程材料开展研究，共有包含麻省理工学院在内的5所大学的研究团队参与该项研究。麻省理工学院研究团队在此项目支持下开发出可编程物质执行机构，能够根据温度的变化展开或折叠，并以此为基础制造出可自动折叠成飞机或舰船形状的机器人。

此后，麻省理工学院在DARPA的资助下继续开展一系列可编程物质方向的研究，并于2011年建立了自组装实验室，最终促成4D打印技术的问世。

4D打印技术的特点

3D打印技术通过各种方式将原材料如同叠“砖块”一般逐层堆叠成形，具有高设计自由度、无需模具等优点。4D打印采用经特殊设计和制备的新型材料，使这些“砖块”能够感知外界条件，随之产生形状、性能和功能的变化。可以看出，3D打印用于成形结构或功能构件，而4D打印用于成形智能构件。

可编程物质执行机构（左）和自動折叠机器人

4D打印材料根据对不同刺激类型的响应进行分类

因此，4D打印技术具有以下优势。一是特殊产品制造，如方便后勤运输的自组装设备、可自我修复的自愈合装甲、特定情况下自销毁的高科技设备等;二是进一步提高设计自由度，如果说3D打印帮助设计人员摆脱了可制造性束缚的话，那么4D打印则打破了装配性的限制，使设计人员不必完全拘泥于装配制约，设计出传统装配方式所无法组装的高性能产品;三是降低成本，借助该技术，小型增材制造设备可以先制造小体积的中间产品，然后将中间产品变形成为所需的大型中空结构产品，节省设备成本。此外，借助产品可变形、变性和变功能的特性，该技术还能够减少装配、物流和储存等环节的成本。

新型材料的应用是4D打印技术实现的基础和关键。以变形为例，4D打印所使用的材料根据对不同刺激类型的响应，可以分为热响应材料、光响应材料、电响应材料、湿度响应材料以及磁响应材料等。热响应材料的变形主要由材料的形状记忆效应或形状变化效应驱动;光响应材料以及电响应材料通过吸收光线或电流的能量并将其转化为热量导致形变，从而实现材料对光或电的间接响应;湿度响应材料采用具有极高亲水性的聚合物材料，通过吸收水分使自身体积膨胀实现变形;磁响应材料是将纳米磁性颗粒与其他材料相结合形成，因而能够对磁场变化作出响应。

4D打印所采用的成型技术目前主要有粘合剂喷射打印、熔融沉积成型、直写成型、立体光刻成型等，这些成型技术源于3D打印，现已在4D打印领域取得了一定应用。

粘合剂喷射打印是一种非接触式打印技术，通过喷射细小的粘合剂液滴成型结构，具有成型精度高、生物相容性好的特点，已在活细胞生物打印以及空间可调滤波器的4D打印中得到了应用。

熔融沉积成型技术采用喷嘴将熔融状态的热熔性材料逐层堆积固化成型，具有工艺简单、成本低的优势，已成功应用于自折叠、自卷曲超材料的4D打印。

直写成型技术采用高压喷嘴喷射粘弹性材料使其沉积成型，目前采用紫外光辅助的直写成型技术应用于可伸缩、自愈合形状记忆材料的制造。由于弹性体材料具有自愈合的特性，该技术在生物医学方面应用前景广阔。

立体光刻成型技术采用激光逐层将材料聚合成型，具有打印精度高、材料选择多样等优势，是目前形状记忆聚合物最常用的打印方法之一。

4D打印技术发展态势

4D打印作为一项新兴技术，目前正处于快速发展阶段，国际上针对4D打印技术的研究主要围绕4D打印材料的拓展、成型技术的创新、设计工具的开发等方面开展，并已取得了一定的成果。

4D打印材料种类不断拓展，功能更加多样。新型材料是4D打印中的关键要素之一，应用于4D打印的材料需要在环境改变的条件下实现自变形、自组装、自适应等多种功能。因此，材料的拓展成为4D打印技术的重要研究方向之一。经过数年的发展，目前4D打印材料的种类已经从水凝胶等聚合物材料扩展至复合材料、有机材料以及陶瓷材料等。

麻省理工学院研发出的可编程木材可随温度和湿度变形

2014年，麻省理工学院的研究人员研发出了更多种类的4D打印材料，包括木材、碳纤维、纺织复合材料、橡胶，这些材料进一步拓展了4D打印技术的应用范围。

2018年8月，香港城市大学的研究团队采用聚合物和陶瓷纳米粒子开发出新型“陶瓷墨水”，并以此打印出柔韧、可拉伸的陶瓷前体，克服了陶瓷前体通常难以变形的限制，最终在热处理的作用下得到坚固的陶瓷，首次实现陶瓷材料的4D打印以及复杂折叠结构陶瓷的制造。这项新技术具有低成本、机械稳定性高、可自主变形等优点，有望应用于航空航天推进部件、空间探索设备、电子设备和高温微机电系统等领域。

4D打印制作出的装置可通过提升温度实现抓取功能

4D打印成型技术持续创新，应用领域多方面发展。在4D打印技术中，采用合适的方式使打印出的智能材料能够按照设计预期实现自组装、自愈合、自变形等功能，也是不可忽视的一个环节。新型材料的不断拓展带来了更多成型方面的挑战，而先进的设计技术则需要实现多材料的同步精确打印，因此成型技术的推陈出新成为了4D打印研究中的一个热门问题。

2016年8月，麻省理工学院使用微立体光刻打印技术，首次实现了微米尺度可变形材料的4D打印，打印出的产品即使受到极端压力或扭转弯曲，只要将其置于适宜的温度下，即可在几秒钟内恢复原状。研究人员采用该技术制造出一种小型夹持装置，其在常温状态下处于张开状态，升温后转变为夹紧状态，借此实现抓取功能。该技术未来有望在航空航天结构件、太阳能电池、生物医学设备等领域获得应用。

2018年6月，美国弗吉尼亚理工大学的研究人员开发出一种集成树脂输送的多材料可编程增材制造技术，该技术具有树脂现场混合、输送和转换功能，并能够实现自清洁，可以进行微尺度多材料增材制造，并避免了不同材料间的交叉污染。该技术开辟了4D打印向微尺度发展的道路。

4D打印设计软件研发支撑创新产品设计。4D打印技术直接将设计内置到材料中，简化了从设计理念到实物的制造过程。但是这种制造方式同时也为设计工作带来了新的挑战，设计人员需要提前预测材料在不同条件下的反应，并以此为基础开展设计工作，因此4D打印软件应运而生。

Cyborg软件模拟4D打印过程中的实际形变

Autodesk公司开发出名为Cyborg的设计工具软件，能够用于优化4D打印设计。该软件通过相互耦合的软硬件工具进行模拟，取代了传统模拟软件先模拟再构建或者先构建再调整模拟的模式，能够模拟4D打印过程中的实际形变，并允许使用者创建专用设计平台进行优化设计。

麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室研发出名为Foundry的软件，可以帮助设计人员根据设计需要，为3D数字模型的不同部位分配不同材料，从而轻松实现多材料3D打印，为4D打印的设计工作提供了支撑。

4D打印技术军事应用前景

由于4D打印技术在产品的制造、装配、储存、周转等环节具备其他制造技术所难以比拟的优势，并且可以实现许多特殊功能，具备产生新一轮技术变革的潜力，因此得到军方的持续支持。经过数年发展，4D打印技术的应用已经开始在国防军事和航空航天领域初现端倪，据市场分析机构预测，到2025年，国防和航空航天应用将占到4D打印技术市场份额的50%以上，将成为4D打印技术最大的应用方向。

NASA開发的“太空织物”

4D打印材料、技术、应用及发展方向

2013年，美国陆军研究办公室资助匹兹堡大学、哈佛大学以及伊利诺伊大学的研究人员研发4D打印材料，希望通过4D打印材料的突破，促使改变汽车涂料适应潮湿环境或碱性道路，改变士兵制服的通透性以抵御毒气或弹片，制造可随周围环境改变颜色的伪装设备和能实现自组装的武器。

2017年，美国国家航空航天局（NASA）采用4D打印技术制造出一种“太空织物”，这种织物具备两种不同的特性：光滑的块状金属表层可以反射阳光，内部结构则能够有效吸收阳光的热量，织物中复合材料在温度的作用下膨胀收缩，使金属表层展开或关闭，从而使织物具备自适应温度调控能力。

2018年，美国陆军士兵纳米技术研究所（ISN）采用含有磁性微粒的弹性体复合材料，打印出一种有望在复杂战场地形以及狭窄空间中灵活爬行、翻滚、跳跃、抓取物体、递送药物的柔性机器人;美国陆军研究工程中心也正在积极开展4D打印技术研究，希望研制出能够抵御毒气的制服、可随周围环境改变颜色的伪装设备以及能实现自组装功能的武器。

未来，随着智能材料、智能设计等技术的进一步发展成熟，4D打印在军事领域的应用将更加广泛深入。

基于4D技术有望发展出能够快速打印并直接投入使用的高性能无人机或机器人，实现武器装备的现场制造;有望设计出能够根据飞行条件自动改变气动外形的机翼，增强武器装备的使用性能;有望制造出无需人工组装且节省运输空间的武器装备，改善武器装备的后勤保障。最终4D打印技术将变革传统武器装备的制造使用流程以及后勤保障模式，使武器装备发挥更强的作战效能。

责任编辑：葛  妍