4D打印更“智能”

郑昌兴 赵辉 严明

近日，西安交通大学研究团队开发出了一种新的4D打印材料。这种材料具有优异的自修复性、重塑性，可应用于机器人、智能警报器、生物植入体等产品的设计与制造。

4D打印实现的构件展现出聪慧的自适应、自组装，甚至是自修复能力，展现出在生物医学、生产制造、航空航天等领域的巨大潜力，受到了越来越多人的关注。

3D打印方兴未艾，4D打印已扑面而来。

4D打印，增加的不只是一个“D”

北京环球影城的“形象大使”威震天，虽然只是科幻电影中的虚拟形象，但这一可根据需要变形的机器人，唤起一代人的童年记忆，一经推出即圈粉无数。相信很多孩子都有过这样的想象——拐杖可在下雨的时候自动变成雨伞，沙发能根据承载人的高矮胖瘦自动调整形状，衣服可随环境条件变化自动改变颜色……4D打印的出现，可能会将这样的幻想变为现实。

2013年TED（Technology、Entertainment、Design）大会上，来自麻省理工学院的研究员斯凯拉·蒂比斯演示了一个神奇的实验。他将3D打印制造出的多串绳状PVC复合材料放入水中后，这种材料自动改变自身形状，组成了麻省理工学院的缩写字母“MIT”。以实验的方式，研究人员将4D打印最直观地展现在了人们面前。

在4D打印发展初期，人们普遍认为4D打印是在3D打印的基础上增加了一个时间维度。即打印出的物体可以随着时间的推移在形态结构上自我进行调整，最终自动达到预先设计要求。

然而，4D打印比3D打印不只是增加了一个“D”（Dimension，维度）。

随着研究的持续推进，科学家认为，4D打印的概念至少应该包括两个方面：一是它在3D打印基础上增加了新的时间维度，同时空间维度也得到进一步拓展，增强了打印构件随时空变化的能力；二是在外界特定环境条件的刺激下，4D打印不仅能够制造形状发生可控变化的构件，也能够制造性能、功能发生可控变化的构件。

4D打印之所以能够实现这种神奇的效果，关键在于它以智能材料作为主要原料。4D打印生成的产品在特定环境（比如水、热、电、光、磁等）和交互机制作用下，能够形成具有智能动态结构特征的产品——这与以普通材料作为原料、输出静态结构产品的3D打印有着很大的不同。因此，4D打印也被认为是智能材料的3D打印。

4D打印的太空织物（图源：《解放军报》）

可用作航天发动机材料的4D打印陶瓷（图源：《解放军报》）

4D打印生成的产品变化并非随机的，而是在研究人员预先的“编程”控制下,通过“编程”将设计融入智能材料，实现设计与制造的一体化，从而简化了从设计理念到实物的创造过程。4D打印将“程序化”的造物方式变成了现实，因此有人说，3D打印的产品是“死”的，而4D打印的产品是“活”的。

风劲扬帆正当时

随着人类社会阔步向智能化时代迈进，4D打印技术恰逢其时，它与智能材料相互促进、共同发展，已经在众多领域显示出良好的应用发展前景。

在生物医学领域，4D打印技术已在智能植入支架、药物递送装置以及器官替代物等方面取得重要进展。

2021年年底，中国科学院兰州化学物理研究所研究团队设计开发出了一种新型水凝胶材料，成功实现4D打印血管支架，有望解决血管支架在体内植入后难以再变形的问题；中国科学院沈阳自动化所研究团队利用4D打印技术制造出了一款纳米级软体机器人，可以派它进入人体，进行药物搬运和控释；青岛大学研究团队研发出了一种4D打印干细胞载体，用这种“创可贴”把干细胞“贴上去”，就可以实现创面皮肤的快速再生修复……

在生产制造领域，4D打印技术呈现出另一个发展方向——打印出体积较小的物品，然后自行组装为最终产品。

美国卡内基梅隆大学研究团队开发出了一款特殊的4D打印代码。这种代码可以使得成品在加热后按照预先设定好的规律折叠。打印出的成品看上去只是一片普通的塑料板，但是加热后，它就会变成花朵、椅子等不同形状。这项技术为制造业提供了一种可能，利用4D打印技术制造软件进行原形设计，打印后产品可根据实际需要，在特定时间或特定环境下自动组装成最初设定的形状，从而大幅降低产品的制造以及存储、运输成本。

在航空航天领域，4D打印技术的应用可降低部件结构的复杂度、减少成本、提高航空航天器的性能。

比如4D打印的折叠式卫星天线，在发射前将其加热至特定温度以上，揉成团状放入发射装置中，再冷却固定形状；进入运行轨道后，利用太阳能加热天线，天线能够恢复到原始形状并正常工作。这种卫星天线可实现复杂的空间结构，同时也能实现合理利用卫星空间、显著降低发射成本。

此外，4D打印的智能材料还可以更好地适应外太空的恶劣环境，我国“祝融号”火星车在火星展示的中国国旗，就是由哈尔滨工业大学自主研制的形状记忆聚合物材料制成。它可在火星低温、高辐射的恶劣环境中自主展开并保持状态稳定。

军事应用尤可期

4D打印技术在军事领域的应用尤为值得关注。2022年8月，联合市场研究公司（Allied Market Research）报告显示，预计到2040年全球军用4D打印产业产值将达6.734亿美元。美国市场观察网站报道也指出，军用3D和4D打印市场预计在2022—2031年期间的复合年增长率将超过10%。由此可以看出，4D打印技术对国防战略的重要性。

自适应伪装作战服是军事领域探索应用增材制造技术较早的项目之一。它可以实现像变色龙一样随环境变化自动调节自身颜色以增强伪装效果。随着4D打印技术的出现和智能材料的发展，这种作战服的伪装功能正在得到进一步提升，或可在隐蔽作战方面对未来战场产生革命性影响。

利用4D打印技术设计制造的武器装备构件，能够在瞬息万变的战场条件下实现结构和功能的相应变化，从而提升环境适应性、优化性能、降低成本。美国国家航空航天局基于4D打印技术提出一种未来智能变体飞机的设计构想——这一飞机的外形可随外界环境进行自适应变化，比如改变展长、优化升阻比以增大航程和航时，改变机翼弯度以增强飞机的机动性等，从而获得更好的作战性能。加拿大的研究人员也在利用4D打印技术为无人机开发一种新型的自适应柔性机翼，这将使无人机的机翼飞行效率更高、制造成本更低。

4D打印的自组装能力同样在军事领域有着广泛的适用性。野营帐篷、单兵救生艇、战场救护支架等装备在打印后，可呈压缩或者折叠状态以便于存放，使用时再自动展开成预先设计的形状。这样大大简化了组装的步骤和过程，减少了装配零件的成本，也更便于携带和运输。

作为一种正处于快速上升趋势的新型增材制造技术，4D打印实现了新材料、新工艺、新机理的组合创新运用，推动了“材料-结构-功能”的一体化动态设计制造，促进了制造方式向智能化转型发展。尽管它还面临智能材料种类与性能、打印工艺与装备、智能构件的评测与检验等诸多方面的挑战，但4D打印的美好未来依然可期。