“4D打印比3D打印多的一個‘D’即時間維度，4D打印物不再是靜止的，而是智能和隨時間變化的。”西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授李滌塵告訴《中國科學(xué)報》記者，未來，4D打印技術(shù)有望利用于生物醫(yī)療器械、智能機(jī)器人等各個領(lǐng)域，不過，目前離大規(guī)模應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。

超越3D打印的“炫”技

在兩年前的美國TED大會上，計算機(jī)科學(xué)家斯凱拉·迪比茨首次通過視頻向外界展示了魔術(shù)般的4D打印技術(shù)——一根奇特材質(zhì)的小棍扔到水里后，慢慢扭曲變形成麻省理工學(xué)院的縮寫字母“MIT”。

斯凱拉·迪比茨稱，這一新技術(shù)的靈感來自于生物的自我復(fù)制，他相信機(jī)器和建筑很快也能夠自我組裝、復(fù)制以及修復(fù)，因為這是自然系統(tǒng)的內(nèi)在能力。

看似很玄妙的4D打印技術(shù)其實并不神秘。按照李滌塵的解釋，4D打印就是3D打印技術(shù)與智能材料性能的結(jié)合，即智能材料結(jié)構(gòu)在3D打印的基礎(chǔ)上，通過外界環(huán)境的刺激，隨著時間實現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化。

在李滌塵看來，4D打印領(lǐng)域的進(jìn)步將更多地依賴材料本身，而非打印技術(shù)。另外，并不是說任意材料都可以被“激活”，而是需要具有模仿生物體的自增值性、自修復(fù)性、自診斷性和環(huán)境適應(yīng)性等的智能材料才行。

據(jù)介紹，4D打印所需要的智能材料一般包括電活性聚合物、形狀記憶材料、壓電材料、電磁流變體、磁致伸縮材料等。

4D打印除了對打印材料要求較高以外，還需要具備另一項非常關(guān)鍵的因素，那就是要有觸發(fā)自我組裝的“催化劑”。這一“催化劑”不一定是水，根據(jù)不同的打印材料，也有可能是光、熱、聲音、震動、氣體，甚至是電子。

也就是說，通過軟件設(shè)定好模型和時間后，在特定環(huán)境下，無需人為干預(yù)，無需通電，4D打印物便可按照事先的設(shè)計，在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行自我組裝。

或許要不了多久，利用4D打印技術(shù)科幻電影中的場景就會逼真地發(fā)生在我們身邊：一根拐杖在下雨的時候就變成了雨傘；房屋建筑可以自動“長”出屋頂、承重墻……

生物醫(yī)療領(lǐng)域的無窮應(yīng)用

借助4D打印技術(shù)制造出的智能結(jié)構(gòu)，可以發(fā)生由一維或二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的變化，或者由一種三維結(jié)構(gòu)變形成另一種三維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的隨意變化也給4D打印技術(shù)的應(yīng)用帶來無窮的暢想，而生物醫(yī)療領(lǐng)域最有可能成為該炫技的主秀場。

麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)家丹雷維夫曾表示，4D打印有利于新型醫(yī)療植入物的發(fā)明。比如心臟支架，如果采用4D打印技術(shù)制造，將不再需要給病人做開胸手術(shù)，可通過血液循環(huán)系統(tǒng)注射入攜帶設(shè)計方案的智能材料，到達(dá)心臟指定部位后自我組裝成支架。

如今，深圳光華偉業(yè)實業(yè)有限公司就正在與合作伙伴共同開發(fā)帶有記憶功能的生物心臟支架。該公司董事長楊義滸表示，他們將對帶有記憶功能的材料進(jìn)行精確控制，使之在一定的外部條件（比如溫度、壓力）下，恢復(fù)預(yù)設(shè)的形態(tài)。

除此之外，多自由度操作臂是微創(chuàng)技術(shù)未來發(fā)展的研究難點。李滌塵表示，他們正在自主研發(fā)智能材料，并通過4D打印技術(shù)應(yīng)用于多自由度操作臂的制造研究中。

“未來，手術(shù)操作臂可以像蛇一樣，通過食道、肛門等人的自然腔道進(jìn)入人體，并在體內(nèi)任意更改方向。”李滌塵稱，電極施加電壓作用在智能材料上，就可以實現(xiàn)操作臂的多自由度彎曲和轉(zhuǎn)向，從而成為一種剛?cè)岵?jì)的操作臂柔性控制方法。

另外，牛津大學(xué)圣安東尼學(xué)院榮譽(yù)學(xué)者納伊夫·魯贊曾在美國《外交》雙月刊網(wǎng)站發(fā)文稱，借助4D打印的原理，研究人員還能夠利用DNA鏈制造出對抗癌癥的納米機(jī)器人。

從概念到現(xiàn)實仍需時日

不過，4D打印技術(shù)即便在大洋彼岸的美國也僅僅處于“實驗室”階段，在實現(xiàn)以上種種暢想之前，仍有許多瓶頸需要突破。

北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司總經(jīng)理馮濤表示，目前4D打印技術(shù)主要有兩個短板，一是打印機(jī)的規(guī)模太小，且缺少高精度、可靠性較高的打印機(jī)；二是人才儲備短缺，全國從事3D技術(shù)的主要研究人員還不到100人，具備4D打印技能的人員就更少了。

與此同時，加工工藝、材料設(shè)計、裝備制造等技術(shù)水平也都是制約4D打印技術(shù)發(fā)展的主要障礙。

李滌塵認(rèn)為，由于智能材料制造工藝復(fù)雜，傳統(tǒng)制造方法只能制造簡單形狀的智能材料，難以制造復(fù)雜形狀的材料結(jié)構(gòu)，因而嚴(yán)重限制了智能材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用。

在他看來，4D打印主要取決于智能材料的發(fā)展，未來應(yīng)研究發(fā)展多種適用于4D打印技術(shù)的智能材料，對不同外界環(huán)境激勵產(chǎn)生響應(yīng)，響應(yīng)變形的形式更多樣化。

受訪專家普遍認(rèn)為，目前4D打印技術(shù)還只是處于概念階段，并且在未來較長的一段時間內(nèi)也主要停留在試驗研究階段。不過，可以肯定的是，4D打印技術(shù)研究和發(fā)展應(yīng)用將對傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造帶來深遠(yuǎn)的影響，而隨著4D打印智能材料的多樣化，4D打印技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。

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