從個(gè)性化的珠寶飾品到復(fù)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(wú)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(shí)間維度，賦予物體“自我變形”和“自我組裝”的神奇能力，為未來(lái)制造帶來(lái)無(wú)限可能。
3D打印完成后，物體的形狀便固定下來(lái)。而4D打印則在此基礎(chǔ)上引入了時(shí)間維度，打印出的物體能隨著時(shí)間、環(huán)境變化而改變形狀、性能或功能。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，3D打印制作的是靜態(tài)物體，4D打印創(chuàng)造的是類(lèi)似“生命”的動(dòng)態(tài)智能構(gòu)件，它們能對(duì)周?chē)h(huán)境做出智能響應(yīng)。
4D打印的材料“密碼”
借助4D打印，科學(xué)家可以設(shè)計(jì)一個(gè)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(shí)，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(dāng)把這個(gè)花朵模型放置在潮濕環(huán)境中，花瓣就會(huì)按照預(yù)設(shè)的程序逐漸展開(kāi)，仿佛一朵真正的花朵在綻放。這種對(duì)物體變形過(guò)程的精準(zhǔn)控制，是4D打印的核心所在。
實(shí)現(xiàn)4D打印依賴(lài)于智能材料和編程設(shè)計(jì)。智能材料是一類(lèi)對(duì)環(huán)境刺激，例如溫度、濕度、磁場(chǎng)、電場(chǎng)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(dāng)溫度升高到特定值時(shí)，會(huì)迅速恢復(fù)到原來(lái)的形狀。
4D打印將這些智能材料與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)材料在不同區(qū)域的分布、結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，并編寫(xiě)相應(yīng)的“程序”，就能控制物體在不同時(shí)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(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，在不同溫度下會(huì)發(fā)生相變。在低溫的馬氏體相時(shí)，合金容易變形，而當(dāng)溫度升高到奧氏體相轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，合金會(huì)迅速恢復(fù)到高溫相時(shí)的形狀。在4D打印過(guò)程中，技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)物體變形過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控。例如，在制造復(fù)雜的航空航天零部件時(shí)，利用形狀記憶合金在高溫下恢復(fù)預(yù)設(shè)形狀的特性，可實(shí)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(shí)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(lèi)繁多，成本相對(duì)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(dāng)受到外界刺激時(shí)，分子鏈的構(gòu)象發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)形狀的改變。在生物醫(yī)學(xué)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(xì)小的形狀，通過(guò)導(dǎo)管輕松送入血管病變部位。到達(dá)指定位置后，隨著體溫的作用，支架會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形狀，撐開(kāi)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(lái)的軟體機(jī)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(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。這類(lèi)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(jī)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(chǎng)的作用下，磁性顆粒會(huì)迅速排列形成特定的結(jié)構(gòu)，從而使材料的力學(xué)性能，如剛度、阻尼等，發(fā)生顯著變化。
軟體機(jī)器人是一種新型柔軟機(jī)器人，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，與人類(lèi)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(diǎn)，磁控智能材料在軟體機(jī)器人中的應(yīng)用使其能夠模擬生物的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。例如模仿章魚(yú)運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人，通過(guò)對(duì)不同部位磁控智能材料施加不同強(qiáng)度和方向的磁場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)觸手的彎曲、伸展和抓握等動(dòng)作，在海洋探測(cè)、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(xué)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的全球首個(gè)磁控流變機(jī)器人甚至可以模仿單細(xì)胞生物阿米巴蟲(chóng)的偽足變形運(yùn)動(dòng)，未來(lái)有望應(yīng)用于血液循環(huán)腫瘤細(xì)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(duì)不同的環(huán)境因素（如pH值、離子強(qiáng)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(dāng)微球處于腫瘤微環(huán)境（通常pH值較低）時(shí)，水凝膠會(huì)發(fā)生收縮，將包裹在其中的抗癌藥物緩慢釋放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療，減少對(duì)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(lái)變革
在航空航天領(lǐng)域，4D打印正帶來(lái)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(fù)雜的環(huán)境變化對(duì)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(jī)機(jī)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(fù)合材料。當(dāng)飛機(jī)在不同的飛行高度和速度下，機(jī)翼蒙皮能夠根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的變化自動(dòng)調(diào)整形狀，優(yōu)化機(jī)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(shì)。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(jìn)入太空后，這些部件能夠在特定的環(huán)境刺激下自動(dòng)展開(kāi)并組裝成所需的形狀，如太陽(yáng)能電池板、天線等。這不僅減少了太空組裝的難度和風(fēng)險(xiǎn)，還提高了航天器的可靠性和可維護(hù)性。2021年，我國(guó)發(fā)射的“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器借助形狀記憶聚合物結(jié)構(gòu)，成功完成了中國(guó)國(guó)旗的可控動(dòng)態(tài)展開(kāi)。這個(gè)展開(kāi)機(jī)構(gòu)由哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并研制，使我國(guó)成為世界上首個(gè)將形狀記憶聚合物智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測(cè)工程的國(guó)家。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，4D打印的應(yīng)用為醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新的曙光。在組織工程方面，科學(xué)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(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)和增殖，還能隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)和組織的修復(fù)而發(fā)生形狀和力學(xué)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(zhǎng)情況逐漸調(diào)整自身的力學(xué)性能，促進(jìn)新骨的形成。在個(gè)性化醫(yī)療方面，4D打印更是展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(gè)性化的心臟瓣膜，瓣膜能夠隨著心臟的跳動(dòng)和生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的藥物釋放，根據(jù)體內(nèi)不同部位的需求和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，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?shī)A持領(lǐng)域，4D打印也展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。在工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)剛性?shī)A持工具在面對(duì)形狀不規(guī)則、質(zhì)地柔軟或易碎的物品時(shí)，容易造成損傷。4D打印利用智能材料制作的柔性?shī)A持器則能很好地解決這一問(wèn)題。例如，采用形狀記憶聚合物制造的柔性?shī)A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(dāng)溫度升高時(shí)，夾持器會(huì)按照預(yù)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(duì)物體造成損壞。在電子芯片制造過(guò)程中，對(duì)微小芯片的搬運(yùn)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?shī)A持器能夠精準(zhǔn)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(duì)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(gè)性化方面存在不足，而4D打印技術(shù)可以根據(jù)每個(gè)人的身體特征和使用需求，定制具有獨(dú)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(dāng)人體出汗或體溫升高時(shí)，服裝能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)透氣性和濕度，保持穿著的舒適感。同時(shí)，這種智能服裝還可以集成各種傳感器和電子元件，實(shí)現(xiàn)與人體的實(shí)時(shí)交互，如監(jiān)測(cè)心率、血壓等生理指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)等設(shè)備上。此外，4D 打印的可穿戴設(shè)備還具有自修復(fù)功能，當(dāng)設(shè)備受到輕微損壞時(shí)，能夠在一定條件下自動(dòng)修復(fù)，延長(zhǎng)使用壽命。
發(fā)展前景十分廣闊
盡管4D打印取得了顯著進(jìn)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(jìn)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(xué)性能方面相對(duì)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(jìn)一步優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更高效的打印過(guò)程。再次，對(duì)物體變形過(guò)程的精確控制和編程也需要更先進(jìn)的算法和軟件支持。
同時(shí)，因?yàn)橹悄懿牧蟽r(jià)格昂貴以及打印設(shè)備和工藝的復(fù)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(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用需降低成本、提高生產(chǎn)效率并實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，這需要材料科學(xué)、制造工藝、自動(dòng)化技術(shù)等多領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)更經(jīng)濟(jì)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(lái)發(fā)展前景依然十分廣闊。以北京交通大學(xué)Rheobot實(shí)驗(yàn)室為例，該實(shí)驗(yàn)室成功研制出全球首臺(tái)桌面級(jí)4D打印機(jī)并在2024年中關(guān)村論壇期間發(fā)布。通過(guò)自主研發(fā)的軟硬件，這臺(tái)4D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)體素單元的可視化磁疇方向編程，初學(xué)者也可以在5～10分鐘內(nèi)設(shè)計(jì)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(shí)間，有助于4D打印技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用拓展。隨著材料科學(xué)、人工智能、機(jī)器人技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，4D打印將不斷完善和發(fā)展。未來(lái)，4D打印有望實(shí)現(xiàn)更復(fù)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(shí),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(chǎng)景，推動(dòng)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(duì)制造的認(rèn)知。它以時(shí)間為維度，賦予物體智能和生命，為各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。相信在不久的將來(lái)，4D打印技術(shù)將走進(jìn)日常生活，為我們創(chuàng)造更加便捷、智能、美好的未來(lái)。
