什么是4D打印？--4D打印技术详解

      4D打印是指用可编程物质（通常为智能复合材料）作为打印材料，通过3D 打印的方式打印（制造）出三维物体。该物体能随着时间推移，在预定的激励或刺激（如遇水、冷却或者通电、光照、加热、加压）下，自我变换形状、物理属性（如结构、形态、体积、密度、色彩、亮度、弹性、硬度、导电性、电磁特性和光学特性等）或功能等。

     与传统的制造方式相比，4D打印除了拥有3D打印的一些主要优势外，还具备很多其他重要特性。首先，它能直接把设计以编程的方式内置到打印材料当中，使物体在打印后，从一种形态变成另一种形态，为物体提供了更好的设计自由度，实现了物体的自我变化和制造。其次，它能将多种可能的修正要素预设在打印材料的方案中，让物体在打印成型后，根据人们的想法驱动物体实现自我变形或对其完善和修正。第三，它能在进一步简化物体生产制造过程的同时，使打印出的物体先具备极为的简单形状、结构和功能，然后通过外部激励或刺激，让它再变化为所需要的复杂的形状、结构和功能。第四，它能使部件与物体本身结构的难易程度在制作时变得不再那么重要，并可在其中嵌入驱动、逻辑和感知等能力，让物体变形组装时无需设置额外的设备，大大减少了人力、物力和时间等成本。第五，它能激发工程师和设计人员的想象力，并设计出多种多功能的动态物体，之后再进行物质编程进行打印制造，促进了“物质程序化”这一造物方式成为现实。最后，它能通过更有效的编程设计，将打印物体的数字文件由互联网发送到世界任何地点，克服了物体生产制造的空间限制，更好地实现了多样化物体的全球化数字制造。

一、4D打印的发展现状

      正因为具有上述特性，4D打印自被提出以来，迅速得到了全球广泛的关注，展示了它在工业、建筑、航天、医疗、艺术、娱乐、服装、军事等诸多领域巨大的应用潜力，并在世界很多国家都取得了十分重要的进展。

 作为开山鼻祖，美国这几年始终致力于4D打印的研究和应用。其很多高校、科研院所和公司企业，都在对4D打印进行广泛和深入的开发，

有了很多令人瞩目的重要成果。麻省理工学院的自动组装实验室，继2013年3月成功地把3D打印的绳子放置在水中，使其自我弯折成“MIT”

    （麻省理工学院的英文缩写）后，2014年1月又实现了让“MIT”自动变成“SAL”（其自动组装实验室的英文缩写），并使打印出的一块平板，按事先设计好的组装方案形变为了一个立方体；2014年11月，它还实现了让更多材质，比如木头、碳纤维、橡胶/塑料等一些材料拥有“自行组装”的特性；2015年1月，该实验室曾利用模型设计软件设定的时间和组合样式，让连接在一起的2279块以3D打印方式打印出来的三角形模块，在水中慢慢自动合并变形成了一件镂空的4D连衣裙，这种裙子会根据穿戴者的型体自我调整、变化甚至造型，一定程度解决了“量体裁衣”的问题；不久，该实验室又打印出了世界上第一双4D打印鞋子，它可依照人脚的形状和大小动态调节，而且富有弹性的材料可让制鞋的成本缩减到最小。2015年6月，西北大学国际纳米技术研究所在纳米级4D打印机研制方面跨出了一大步，使打印出来的对象可根据纳米材料上的编码信息，进行转换或者变形并执行若干其它功能，从而促进了智能复合材料的开发和拓展了4D打印的应用。

       2015年10月，乔治亚技术学院和新加坡科技大学，联合开发出了一种对热量敏感的形状记忆高分子敏感4D打印材料，它与其他不同材料集合后打印出的物体，在温度发生变化时，能按照程序改变成另一种形状；例如，把一个打印出的细长片插入锁的钥匙孔中，它立即就能根据温度在孔中伸缩变形和硬化，预示着有可能变成一把真正的钥匙---如此以来，其外形就可能有着视使用环境不同而改变的特性，使这种材料有望在无人航空器和潜水器以及医疗器械、人体器官支架中使用。2015年11月，哈佛大学刘易斯研究团队，把从木浆中提取的纤维素纤维与丙烯酰胺水凝胶（遇水会膨胀扩大的一种胶状物）混合在一起，加入荧光染料后制成了一种新型4D打印材料，它比此前麻省理工学院由刚性和柔性材料组合的打印材料性能更好，有利于编程制作复杂物体，因为它包含许多微小纤维的胶状物质，硬度及水溶性都能根据不同排列方式发生变化，在“编码”后将打印出的物体变为更加复杂的形状---两朵形状一样的花，它们被浸没到水里之后，五个花瓣卷曲的方向不同，外形和色彩都与真正的兰花非常接近；该团队现正在探索4D打印在医学植入等方面的潜在应用，包括最终培育出新器官的组织和受损组织的替代品---它们先像一张平板纸一样被打印出来，然后自行变成人们需要的不同形状，并且这种打印材料还能进一步被改进，以便使它可应对不同的环境变化，让打印出的物体根据冷、热、电流或生物情况“随机应变”。2015年12月，美国科技巨头惠普公司宣布，在推动4D打印机研发的同时，它开发了拥有4D打印的一种微流控材料，这种材料具有特定的导电属性，可用于新型电子器件的4D打印制作。

      除美国外，其他国家在4D 打印领域的研发也在不断向前推进。2014年1月，新加坡技术与设计大学联合美国科罗拉多大学波德分校，将

     拥有形状记忆能力的聚合纤维混入传统3D打印所使用的复合材料中，制造出可以像“变形金刚”一样变换出各种形状的新型智能复合材料。