從個性化的珠寶飾品到復雜的航空零部件，3D打印展現(xiàn)出了巨大的創(chuàng)造力和應(yīng)用潛力。然而，科技的探索永無止境，一種比3D打印更具突破性的技術(shù)——4D打印，正悄然興起。它在3D打印的基礎(chǔ)上融入了時間維度，賦予物體“自我變形”和“自我組裝”的神奇能力，為未來制造帶來無限可能。
3D打印完成后，物體的形狀便固定下來。而4D打印則在此基礎(chǔ)上引入了時間維度，打印出的物體能隨著時間、環(huán)境變化而改變形狀、性能或功能。簡單來說，3D打印制作的是靜態(tài)物體，4D打印創(chuàng)造的是類似“生命”的動態(tài)智能構(gòu)件，它們能對周圍環(huán)境做出智能響應(yīng)。
4D打印的材料“密碼”
借助4D打印，科學家可以設(shè)計一個用濕度響應(yīng)型智能水凝膠材料制成的花朵模型。在打印時，設(shè)定好花瓣的初始形狀和在特定濕度下的變形規(guī)則。當把這個花朵模型放置在潮濕環(huán)境中，花瓣就會按照預設(shè)的程序逐漸展開，仿佛一朵真正的花朵在綻放。這種對物體變形過程的精準控制，是4D打印的核心所在。
實現(xiàn)4D打印依賴于智能材料和編程設(shè)計。智能材料是一類對環(huán)境刺激，例如溫度、濕度、磁場、電場等，具有感知和響應(yīng)能力的材料。在4D打印中，常用的智能材料有形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、磁控智能材料、智能水凝膠等。以形狀記憶合金為例，它在低溫下可以變形，當溫度升高到特定值時，會迅速恢復到原來的形狀。
4D打印將這些智能材料與計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)相結(jié)合，通過對材料在不同區(qū)域的分布、結(jié)構(gòu)進行精確設(shè)計，并編寫相應(yīng)的“程序”，就能控制物體在不同時間、不同環(huán)境下的變化方式。
形狀記憶合金：金屬的“記憶魔法”。形狀記憶合金是4D打印中重要的材料之一，其中最具代表性的是鎳鈦合金。它具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)，在不同溫度下會發(fā)生相變。在低溫的馬氏體相時，合金容易變形，而當溫度升高到奧氏體相轉(zhuǎn)變溫度以上時，合金會迅速恢復到高溫相時的形狀。在4D打印過程中，技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計需求，精確控制形狀記憶合金在不同區(qū)域的分布與結(jié)構(gòu)，結(jié)合編程設(shè)定的溫度變化條件，實現(xiàn)對物體變形過程的精準調(diào)控。例如，在制造復雜的航空航天零部件時，利用形狀記憶合金在高溫下恢復預設(shè)形狀的特性，可實現(xiàn)零部件的自組裝和自適應(yīng)調(diào)整，大大提高制造精度與效率，同時減少零部件數(shù)量和重量，提升整體性能。
形狀記憶聚合物：塑料的智能變身。形狀記憶聚合物種類繁多，成本相對較低，且易于加工成形。它的形狀記憶效應(yīng)源于其內(nèi)部的分子鏈結(jié)構(gòu)。當受到外界刺激時，分子鏈的構(gòu)象發(fā)生變化，從而實現(xiàn)形狀的改變。在生物醫(yī)學領(lǐng)域，形狀記憶聚合物有著巨大的應(yīng)用潛力。例如，可降解的形狀記憶聚合物制成的血管支架，在低溫下可以被壓縮成細小的形狀，通過導管輕松送入血管病變部位。到達指定位置后，隨著體溫的作用，支架會恢復到原來的形狀，撐開狹窄的血管，并且在完成使命后逐漸降解，避免了二次手術(shù)取出的麻煩。
磁控智能材料：未來的軟體機器人。磁控智能材料是4D打印材料家族中的重要成員，在航空航天、生物醫(yī)療等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用價值。這類材料主要包括磁性流體、磁流變彈性體等，它們由聚合物或有機溶劑組成的基體和均勻分散在其中的微/納米磁性顆粒組成。在磁場的作用下，磁性顆粒會迅速排列形成特定的結(jié)構(gòu)，從而使材料的力學性能，如剛度、阻尼等，發(fā)生顯著變化。
軟體機器人是一種新型柔軟機器人，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，與人類的交互也更安全。磁控智能材料具有響應(yīng)速度快、控制精度高的特點，磁控智能材料在軟體機器人中的應(yīng)用使其能夠模擬生物的復雜運動。例如模仿章魚運動的軟體機器人，通過對不同部位磁控智能材料施加不同強度和方向的磁場，可以實現(xiàn)觸手的彎曲、伸展和抓握等動作，在海洋探測、水下救援等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在這一方面，北京交通大學團隊自主研發(fā)的全球首個磁控流變機器人甚至可以模仿單細胞生物阿米巴蟲的偽足變形運動，未來有望應(yīng)用于血液循環(huán)腫瘤細胞的捕獲與清殺。
智能水凝膠：遇水“變形記”。水凝膠是一種親水性的高分子網(wǎng)絡(luò)材料，能夠吸收大量水分并保持一定的形狀，在4D打印中的應(yīng)用主要基于這種材料所具有的溶脹和收縮特性。不同的水凝膠對不同的環(huán)境因素（如pH值、離子強度等）有不同的響應(yīng)。在藥物控釋領(lǐng)域，水凝膠制成的微球可以根據(jù)體內(nèi)環(huán)境的變化釋放藥物。當微球處于腫瘤微環(huán)境（通常pH值較低）時，水凝膠會發(fā)生收縮，將包裹在其中的抗癌藥物緩慢釋放出來，實現(xiàn)精準治療，減少對正常組織的傷害。
給航空航天、醫(yī)療、智能穿戴等領(lǐng)域帶來變革
在航空航天領(lǐng)域，4D打印正帶來革命性的變革。制造傳統(tǒng)的航空部件需要大量的加工工序和高昂的成本，而且在太空中，復雜的環(huán)境變化對部件的性能提出了極高的要求。4D打印技術(shù)能夠制造出具有自適應(yīng)能力的航空部件。例如，飛機機翼的蒙皮可以采用4D打印制造，使用形狀記憶合金或智能復合材料。當飛機在不同的飛行高度和速度下，機翼蒙皮能夠根據(jù)空氣動力學的變化自動調(diào)整形狀，優(yōu)化機翼的升力和阻力，從而降低燃油消耗，提高飛行效率。
在太空領(lǐng)域，4D打印的可折疊結(jié)構(gòu)具有巨大優(yōu)勢。在發(fā)射階段，航天器的部件可以被折疊成緊湊的形狀，節(jié)省空間，降低發(fā)射成本。進入太空后，這些部件能夠在特定的環(huán)境刺激下自動展開并組裝成所需的形狀，如太陽能電池板、天線等。這不僅減少了太空組裝的難度和風險，還提高了航天器的可靠性和可維護性。2021年，我國發(fā)射的“天問一號”探測器借助形狀記憶聚合物結(jié)構(gòu)，成功完成了中國國旗的可控動態(tài)展開。這個展開機構(gòu)由哈爾濱工業(yè)大學團隊自主設(shè)計并研制，使我國成為世界上首個將形狀記憶聚合物智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測工程的國家。
在生物醫(yī)學領(lǐng)域，4D打印的應(yīng)用為醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展帶來新的曙光。在組織工程方面，科學家們利用4D打印制造具有生物活性的支架。這些支架不僅具有三維的多孔結(jié)構(gòu)，有利于細胞的黏附、生長和增殖，還能隨著細胞的生長和組織的修復而發(fā)生形狀和力學性能的變化，為組織的再生提供理想的微環(huán)境。例如，打印的骨組織支架可以根據(jù)骨骼的生長情況逐漸調(diào)整自身的力學性能，促進新骨的形成。在個性化醫(yī)療方面，4D打印更是展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢。醫(yī)生可以根據(jù)患者的具體病情和身體特征，定制4D打印的醫(yī)療器械。例如，為患有先天性心臟病的兒童打印個性化的心臟瓣膜，瓣膜能夠隨著心臟的跳動和生長而自適應(yīng)地調(diào)整形狀和功能，提高治療效果。此外，4D打印的藥物遞送系統(tǒng)也能實現(xiàn)精準的藥物釋放，根據(jù)體內(nèi)不同部位的需求和時間節(jié)點，精確控制藥物的釋放量，提高藥物的療效，減少副作用。
在柔性夾持領(lǐng)域，4D打印也展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用價值。在工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)剛性夾持工具在面對形狀不規(guī)則、質(zhì)地柔軟或易碎的物品時，容易造成損傷。4D打印利用智能材料制作的柔性夾持器則能很好地解決這一問題。例如，采用形狀記憶聚合物制造的柔性夾持器，在低溫下具有一定的柔韌性，可以輕松包裹住被夾持物體。當溫度升高時，夾持器會按照預設(shè)程序收緊，牢固地抓取物體，且能根據(jù)物體的形狀自適應(yīng)調(diào)整夾持力度，避免對物體造成損壞。在電子芯片制造過程中，對微小芯片的搬運和組裝需要高精度、輕柔的夾持操作，采用磁控智能材料4D打印的柔性夾持器能夠精準地完成任務(wù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
隨著人們對智能穿戴設(shè)備需求的不斷增加，4D打印技術(shù)為該領(lǐng)域注入了新活力。傳統(tǒng)的智能穿戴設(shè)備往往在舒適性和個性化方面存在不足，而4D打印技術(shù)可以根據(jù)每個人的身體特征和使用需求，定制具有獨特功能的智能穿戴產(chǎn)品。例如，4D打印的智能服裝可以采用形狀記憶聚合物或水凝膠等材料，當人體出汗或體溫升高時，服裝能夠自動調(diào)節(jié)透氣性和濕度，保持穿著的舒適感。同時，這種智能服裝還可以集成各種傳感器和電子元件，實現(xiàn)與人體的實時交互，如監(jiān)測心率、血壓等生理指標，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C等設(shè)備上。此外，4D 打印的可穿戴設(shè)備還具有自修復功能，當設(shè)備受到輕微損壞時，能夠在一定條件下自動修復，延長使用壽命。
發(fā)展前景十分廣闊
盡管4D打印取得了顯著進展，但目前仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，智能材料的性能還有待進一步提高。例如，形狀記憶合金的響應(yīng)速度和記憶精度還不能完全滿足一些高端應(yīng)用的需求；水凝膠在力學性能方面相對較弱，限制了其在一些承載要求較高領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，4D打印的工藝和設(shè)備還不夠成熟，打印精度、速度和材料兼容性等方面還需要進一步優(yōu)化，以實現(xiàn)更復雜、更高效的打印過程。再次，對物體變形過程的精確控制和編程也需要更先進的算法和軟件支持。
同時，因為智能材料價格昂貴以及打印設(shè)備和工藝的復雜性，4D打印技術(shù)成本較高。高昂成本限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用，目前主要集中于高端領(lǐng)域和定制化產(chǎn)品。若要實現(xiàn)廣泛應(yīng)用需降低成本、提高生產(chǎn)效率并實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，這需要材料科學、制造工藝、自動化技術(shù)等多領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新，開發(fā)更經(jīng)濟高效的智能材料和打印技術(shù)。
盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但4D打印技術(shù)的未來發(fā)展前景依然十分廣闊。以北京交通大學Rheobot實驗室為例，該實驗室成功研制出全球首臺桌面級4D打印機并在2024年中關(guān)村論壇期間發(fā)布。通過自主研發(fā)的軟硬件，這臺4D打印機可以實現(xiàn)對體素單元的可視化磁疇方向編程，初學者也可以在5～10分鐘內(nèi)設(shè)計并制作出自己的4D打印作品，大大縮短了智能材料與4D打印技術(shù)的研發(fā)時間，有助于4D打印技術(shù)的進一步應(yīng)用拓展。隨著材料科學、人工智能、機器人技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的不斷進步，4D打印將不斷完善和發(fā)展。未來，4D打印有望實現(xiàn)更復雜、更智能的物體制造，從微觀的生物組織到宏觀的建筑結(jié)構(gòu)，都將成為應(yīng)用領(lǐng)域。同時,4D打印與其他新興技術(shù),如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等的融合，將創(chuàng)造出更多新的應(yīng)用場景，推動各行業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。
作為一種具有前瞻性的創(chuàng)新技術(shù)，4D打印技術(shù)正在改變我們對制造的認知。它以時間為維度，賦予物體智能和生命，為各個領(lǐng)域帶來前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。相信在不久的將來，4D打印技術(shù)將走進日常生活，為我們創(chuàng)造更加便捷、智能、美好的未來。
