3D打印，這個(gè)已經(jīng)發(fā)展超過20年的技術(shù)，最近兩年突然成為熱得發(fā)燙的名詞。它已經(jīng)從極客(技術(shù)狂人)在實(shí)驗(yàn)室里的玩具，進(jìn)入正兒八經(jīng)的制造業(yè)。而它的身后，4D打印也要來了。

3D就是三維立體。3D打印直觀上的解釋就是打印出一件立體的東西。4D呢?三維再加一維。這一維可以是很多東西，通常指的是時(shí)間。問題是，時(shí)間看不見、摸不著，如果一切都沒什么變化，你甚至無法感知時(shí)間。所以當(dāng)我們談時(shí)間時(shí)，談的其實(shí)是變化。關(guān)于時(shí)間的恰當(dāng)解釋是：宏觀上物質(zhì)狀態(tài)不斷變化的過程。

4D打印的意思就是先用復(fù)合材料進(jìn)行3D打印，對于打印出來的物品，我們賦予它一種新的能力—這就是變化。這是4D打印概念的提出者、美國麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家斯凱拉·蒂比茨(SkylarTibbits)給出的解釋。

在今年早些時(shí)候的一次美國TED(技術(shù)·娛樂·設(shè)計(jì))演講中，蒂比茨首次提出4D打印概念。他說的變化能力，叫做自組裝(Self-Assemble)，也就是物體不經(jīng)過人為控制，自動變成預(yù)先設(shè)計(jì)好的形態(tài)。不過，光有概念是無法打動人心的，到底他說的自組裝是什么意思?3D打印出來的物品究竟會怎樣自組裝呢?

在演講中，蒂比茨演示了兩個(gè)已有的4D打印成果，幫助觀眾理解自組裝是怎么回事。第一個(gè)是脊髓灰質(zhì)炎病毒的模型。該模型放在瓶子里，蒂比茨晃動瓶子，劇烈的震動讓“病毒”散架了。但當(dāng)他停止晃動時(shí)，神奇的事情發(fā)生了，本來已經(jīng)散架的模型又慢慢回到原來的樣子。

可能有人要問：不是說好無人干擾嗎?晃動瓶子可不算啊。好吧，說的也在理兒，但恢復(fù)成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)確實(shí)沒有人為干擾。蒂比茨接下來給出的一個(gè)例子或許更有說服力—這是一條看起來像鏈子的東西。把鏈子放進(jìn)水里后，它變成了連在一起的“MIT”字母形狀，也就是麻省理工學(xué)院(蒂比茨所任職大學(xué))的英文縮寫。另一個(gè)演示是把鏈子浸在水缸里，它自動折疊成了一個(gè)三維立方體。這些過程沒有任何人為干擾，這條鏈子自發(fā)變成了一個(gè)人為設(shè)計(jì)的形態(tài)。顯然，它肯定經(jīng)過事先的“編程”處理。

對于這種“編程”，蒂比茨沒有在演講中透露更多細(xì)節(jié)，但從他的例子中我們可以得出一些基本結(jié)論：為了完成自組裝，我們首先需要特殊的材料。這種材料很可能是納米級別，它對某種外界影響非常敏感，比如重力、壓力、熱量、磁性或者水之類的具體物質(zhì)，再通過模擬程序，演算出現(xiàn)實(shí)環(huán)境中材料的變化情況，以此調(diào)整材料的組成和結(jié)構(gòu)。于是當(dāng)它遇到敏感源時(shí)，就能與之互動，最終變成事先設(shè)計(jì)好的形態(tài)。

目前，4D打印還是一個(gè)概念，并且這個(gè)概念并不新。實(shí)際上它的核心技術(shù)—“自組裝”，在自然界里隨處可見。DNA(脫氧核糖核酸)復(fù)制、RNA(核糖核酸)轉(zhuǎn)錄、合成蛋白質(zhì)，這些生命的延續(xù)過程，實(shí)際上都是自組裝，而且非常精密，和計(jì)算機(jī)有得一拼，遠(yuǎn)不是目前納米材料的特性所能比的。

在TED發(fā)布4D打印的演講視頻后，很多人在討論自組裝的技術(shù)原理是什么，但更多的人可能會說：“一根自動變成MIT字母的鏈子?嗯，這聽起來很酷。但，它能幫我干什么呢?”只需要想象一下，你從“宜家”買回一把椅子(我們都知道那其實(shí)是一堆零件)，當(dāng)你拆開包裹后，它就開始自己組裝，然后慢慢變成一把真正能讓你坐上去的椅子。而整個(gè)過程，你只需要當(dāng)一名合格的觀眾，站在一旁觀賞即可。

當(dāng)然現(xiàn)實(shí)還沒發(fā)展到這一步。目前蒂比茨的計(jì)劃是與波士頓的Geosyntec公司合作，開發(fā)一種新型水管。這種水管可以根據(jù)水流變化自發(fā)膨脹或者收縮，改變流量，甚至可以通過蠕動來推動水流。這意味著，它可能不需要管道疏通，也無需水泵或者閥門，這是一個(gè)完全可程序化和自我調(diào)節(jié)的水管。想想現(xiàn)實(shí)中那些脆弱的管子吧，如果能讓它們不那么容易出狀況，就足夠讓人興奮了。

3D打印目前相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，并無特別巨大的優(yōu)勢。但在極端環(huán)境下，我們現(xiàn)有的制造技術(shù)則劣勢明顯。它所需的設(shè)備可能過于龐大、危險(xiǎn)、昂貴或太過復(fù)雜，而升級到4D打印技術(shù)就會有明顯的好處。太空就是一個(gè)很好的例子，傳統(tǒng)制造技術(shù)在太空中極難發(fā)揮應(yīng)有的功效，但那里卻是自組裝技術(shù)的好舞臺。無重力是一個(gè)很好的激活環(huán)境。蒂比茨聲稱自己正在針對太空環(huán)境設(shè)計(jì)可以自組裝成型的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成各種功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。

如果我們想得更遠(yuǎn)，會發(fā)現(xiàn)自組裝技術(shù)會讓物流成本直線下降。“宜家”每次都寄一堆零件讓我們自己組裝，原因就是這樣節(jié)省運(yùn)輸成本，并且在運(yùn)輸過程中貨物不易損壞。但如果貨物都實(shí)現(xiàn)了自組裝，它們就可以非常規(guī)則地裝箱，甚至就是一塊平板。這時(shí)體積就不再是限制，集裝箱可以成倍輸送貨物。結(jié)果就是快遞費(fèi)大減，這可能遠(yuǎn)比制造業(yè)革命更讓普通消費(fèi)者關(guān)心。再遠(yuǎn)一點(diǎn)，鋼鐵俠的變形盔甲?終結(jié)者里的液態(tài)機(jī)器人?好吧，有點(diǎn)想太多了。

在科學(xué)界，模仿生物自組裝的研究很常見。至少在6年前，同樣是來自麻省理工學(xué)院、同樣站在TED演講舞臺上的科研人員尼爾·格申費(fèi)爾德(NeilGershenfeld)，就介紹過類似于自組裝的研究，其間他也用特制材料自動組成了字母MIT。這位麻省理工學(xué)院“比特和原子中心”的頭兒，來頭遠(yuǎn)比蒂比茨大。他和同事成立了一個(gè)微觀裝配實(shí)驗(yàn)室，對特質(zhì)材料的零件實(shí)施編碼和模版構(gòu)建，使其完成自我復(fù)制，而生成物的尺寸，可以小到納米大到房子。后來格申費(fèi)爾德還開了一門課叫“怎樣制作任何東西”。

這個(gè)點(diǎn)在3+1。所謂的自組裝，也就是4D里的第四維，是建立在前三維的基礎(chǔ)上。也就是說，已經(jīng)有了成型的3D制品，才在它身上加上變化的能力。蒂比茨沒有做概念上的創(chuàng)新，但他做了一個(gè)組合。這個(gè)組合最核心的價(jià)值在于改變制造業(yè)—“重塑這個(gè)世界”，這是蒂比茨喊出的最響亮口號。

如何重塑世界?改變制造業(yè)?怎樣改變制造業(yè)?降低制造的復(fù)雜度。4D打印也許能做到。當(dāng)今制造業(yè)殘酷的現(xiàn)實(shí)是，組裝零件和制造流程非常復(fù)雜，以至于任何一張工業(yè)設(shè)計(jì)圖紙都不是“正常”人類能看懂的。其實(shí)很多構(gòu)造都是為了滿足復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)情況而設(shè)計(jì)的，是為了讓產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)世界里更可靠，不得已而為之。但如果能夠讓材料自動適應(yīng)環(huán)境，則制造工藝的復(fù)雜度很可能大幅降低。這才是4D打印概念最吸引人的地方。

在這一概念被提出后，很多科研人員跟進(jìn)了這個(gè)研究。美國軍方似乎也看到了前景。最近美國陸軍研究辦公室就資助了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于4D打印的研究，團(tuán)隊(duì)成員是分別來自匹茲堡大學(xué)、哈佛大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)的各領(lǐng)域?qū)I(yè)人士。

想象一下，軍方的需求可能是一種裝甲車涂料，適應(yīng)潮濕環(huán)境，保護(hù)車體免受腐蝕，也可能是一種軍服，可以根據(jù)環(huán)境有效偽裝，或者更有效地防御毒氣攻擊。而研究團(tuán)隊(duì)的解決方案則是，運(yùn)用內(nèi)含“刺激敏感型”水凝膠的響應(yīng)填料，加上精確的3D打印技術(shù)，制造一種感光后能改變顏色、根據(jù)溫度可改變透氣性的衣料。在烈日下的森林，這件衣服接收到綠光后即變成綠色，加強(qiáng)了偽裝，并且分子變得稀疏，衣服變得很透氣……讓人不禁感嘆美國大兵的日子越過越舒服。

假如4D打印技術(shù)最終能從象牙塔中大規(guī)模走上應(yīng)用前臺，它將使硬件得到更多創(chuàng)新性應(yīng)用，使產(chǎn)品隨機(jī)應(yīng)變地滿足更多極端要求，未來將有種種神器“想我所想、急我所急”。