請想像一下，從宜家買回一把椅子的家具板材，將其放在房間里它們會自動組裝;一種汽車涂料可以改變自身的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)潮濕的環(huán)境或撒過鹽的道路，以便更好地保護(hù)汽車免受腐蝕;士兵的制服能改變迷彩或更有效地防止與毒氣或彈片的接觸。

有人要問了：有那么神奇嗎，不需要連接任何復(fù)雜的打印機(jī)，就能按照產(chǎn)品設(shè)計自動折疊成相應(yīng)的形狀?而科學(xué)家告訴我們，這就是悄然而至的4D打印技術(shù)。那么，它與3D打印有何不同，又是如何做到神通廣大的呢?

究竟比3D打印“炫”在哪兒

今年3月，在洛杉磯舉行的“技術(shù)、娛樂、設(shè)計”(TED)大會上，麻省理工學(xué)院的研究人員首次展示了新一代打印技術(shù)——4D打印，頓時“點(diǎn)亮”了眾人的目光。

談到4D打印過程，建筑師和電腦科學(xué)家斯凱勒·蒂比茨解釋說：“我們提出將4D物體的第四維度定為時間，也就是說使得3D打印出的物體能夠隨著時間自動變化和調(diào)適。剛性材料形成一個架構(gòu)，其他層則是彎曲和扭轉(zhuǎn)該架構(gòu)的力量來源。”

3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。其仍然符合一般傳統(tǒng)意義上的造物過程，先模擬后制造，或者一邊建物一邊調(diào)整模擬效果。而通過硬件和軟件的緊密結(jié)合，4D打印技術(shù)顛覆了這種方式。

從事4D打印技術(shù)研究的工程軟件開發(fā)商歐特克(Autodesk)公司首席研究科學(xué)家卡羅·奧古恩說：“4D打印讓快速建模有了根本性的轉(zhuǎn)變。與3D打印的預(yù)先建模、掃描，然后使用物料成形不同，4D打印直接將設(shè)計內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡化了從設(shè)計理念到實(shí)物的造物過程。讓物體如機(jī)器般自動創(chuàng)造，無需連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備。”

如此可見，4D打印比3D打印多的一個“D”表現(xiàn)在時間緯度上，這種革命性新技術(shù)可以通過軟件設(shè)定模型和時間，變形材料會在設(shè)定時間內(nèi)快速成型。

可自變形材料是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵

顯然，4D打印更為智能，物料可自行“創(chuàng)造”，簡化了打印過程，但這對打印材料提出了更高要求，也是其得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，美國哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、斯旺森工程學(xué)院大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)的研究人員正在運(yùn)用其在納米和微觀層面操縱材料的專業(yè)知識，通過3D打印生產(chǎn)可以在宏觀層面隨著時間推移修改其結(jié)構(gòu)的材料。

該團(tuán)隊課題組長、斯旺森工程學(xué)院大學(xué)化學(xué)工程教授安娜·C·巴拉茲解釋道：“我們建議根據(jù)外界的刺激，按需求開發(fā)可重新調(diào)整其形狀、性能或功能的自適應(yīng)、仿生復(fù)合材料，而不是構(gòu)建一個靜態(tài)或簡單地改變其形狀的材料。期望通過整合可打印出精確的、3D立體感及具有分層結(jié)構(gòu)的材料，并且合成刺激響應(yīng)組件及預(yù)測系統(tǒng)時序行為的能力，建立4D打印新領(lǐng)域的基礎(chǔ)。”

哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院生物啟發(fā)工程的教授詹妮弗·A·劉易斯補(bǔ)充說：“目前的3D打印技術(shù)允許研究人員能夠在納米和微觀層建立復(fù)雜的功能，這種可改變其性能或多次塑造的能力，不只是建立在某個特定的、一次性使用的范疇內(nèi)。復(fù)合材料可以在不同刺激下被重新配置，顯著延長3D打印的覆蓋范圍。”

伊利諾伊大學(xué)合成材料科學(xué)與工程學(xué)院教授拉爾夫·G·紐素說，由于該研究將在一個刺激性敏感的水凝膠里使用嵌入式的響應(yīng)填料，為生產(chǎn)下一代智能傳感器、涂料、紡織及結(jié)構(gòu)件開辟了新途徑。這種能力可以創(chuàng)建一種織物，通過改變其顏色響應(yīng)光線;變化透氣性對溫度作出反應(yīng)，甚至硬化其結(jié)構(gòu)來延展外力，將創(chuàng)建自適應(yīng)的、靈活的、輕盈且堅固的響應(yīng)材料變?yōu)榭赡?。正是這種復(fù)雜的功能決定了真正4D打印的游戲規(guī)則。

4D打印技術(shù)的潛在應(yīng)用

在TED大會上展示的4D產(chǎn)品，是經(jīng)3D打印出的管子。將它放入水中，其會自動組裝成一個立方體。原理是，該物體內(nèi)部的“智能”材料利用水作為能量來源，帶來形狀的改變。在構(gòu)造上，這款可以自動組裝的4D物體由數(shù)層塑料制成，外加一層能夠在吸水時自動變成一種理想形狀的“智能”材料。

談到4D打印的潛在應(yīng)用，蒂比斯透露，麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室正在與波士頓一家名為Geosyntec的公司開展合作，開發(fā)創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施管路制造方案。他說：“這種新型地下水管，可以自由地膨脹或收縮，以此來控制過水的流量和流速，或者還可以像蛇那樣通過自身的蠕動來擠壓，推動內(nèi)部的水體流動。水管能夠適應(yīng)不同的容量或水流而自動進(jìn)行擴(kuò)張，免去挖掘的麻煩。而具有這種不可思議功能的管路并不昂貴，也不需要那些復(fù)雜的閥門控制系統(tǒng)，這就是該管路本身所具備的性質(zhì)。”

研究人員指出，該技術(shù)的下一個發(fā)展階段包括打印4D片材，如果可行的話，還會包括完整的建筑結(jié)構(gòu)，可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至建筑行業(yè)。

4D打印目前并不成熟，但研究人員相信，4D打印不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，而且這項(xiàng)技術(shù)終將帶來生物科學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)器人、交通運(yùn)輸、藝術(shù)甚至太空探索領(lǐng)域的革命性變化，未來它的發(fā)展前景將十分廣闊。對此，我們拭目以待。