4D打印是指用可編程物質(zhì)（通常為智能復(fù)合材料）作為打印材料，通過(guò)3D 打印的方式打印（制造）出三維物體。該物體能隨著時(shí)間推移，在預(yù)定的激勵(lì)或刺激（如遇水、冷卻或者通電、光照、加熱、加壓）下，自我變換形狀、物理屬性（如結(jié)構(gòu)、形態(tài)、體積、密度、色彩、亮度、彈性、硬度、導(dǎo)電性、電磁特性和光學(xué)特性等）或功能等。

     與傳統(tǒng)的制造方式相比，4D打印除了擁有3D打印的一些主要優(yōu)勢(shì)外，還具備很多其他重要特性。首先，它能直接把設(shè)計(jì)以編程的方式內(nèi)置到打印材料當(dāng)中，使物體在打印后，從一種形態(tài)變成另一種形態(tài)，為物體提供了更好的設(shè)計(jì)自由度，實(shí)現(xiàn)了物體的自我變化和制造。其次，它能將多種可能的修正要素預(yù)設(shè)在打印材料的方案中，讓物體在打印成型后，根據(jù)人們的想法驅(qū)動(dòng)物體實(shí)現(xiàn)自我變形或?qū)ζ渫晟坪托拚�。第三，它能在進(jìn)一步簡(jiǎn)化物體生產(chǎn)制造過(guò)程的同時(shí)，使打印出的物體先具備極為的簡(jiǎn)單形狀、結(jié)構(gòu)和功能，然后通過(guò)外部激勵(lì)或刺激，讓它再變化為所需要的復(fù)雜的形狀、結(jié)構(gòu)和功能。第四，它能使部件與物體本身結(jié)構(gòu)的難易程度在制作時(shí)變得不再那么重要，并可在其中嵌入驅(qū)動(dòng)、邏輯和感知等能力，讓物體變形組裝時(shí)無(wú)需設(shè)置額外的設(shè)備，大大減少了人力、物力和時(shí)間等成本。第五，它能激發(fā)工程師和設(shè)計(jì)人員的想象力，并設(shè)計(jì)出多種多功能的動(dòng)態(tài)物體，之后再進(jìn)行物質(zhì)編程進(jìn)行打印制造，促進(jìn)了“物質(zhì)程序化”這一造物方式成為現(xiàn)實(shí)。最后，它能通過(guò)更有效的編程設(shè)計(jì)，將打印物體的數(shù)字文件由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到世界任何地點(diǎn)，克服了物體生產(chǎn)制造的空間限制，更好地實(shí)現(xiàn)了多樣化物體的全球化數(shù)字制造。

一、4D打印的發(fā)展現(xiàn)狀

      正因?yàn)榫哂猩鲜鎏匦裕?D打印自被提出以來(lái)，迅速得到了全球廣泛的關(guān)注，展示了它在工業(yè)、建筑、航天、醫(yī)療、藝術(shù)、娛樂(lè)、服裝、軍事等諸多領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力，并在世界很多國(guó)家都取得了十分重要的進(jìn)展。

 作為開山鼻祖，美國(guó)這幾年始終致力于4D打印的研究和應(yīng)用。其很多高校、科研院所和公司企業(yè)，都在對(duì)4D打印進(jìn)行廣泛和深入的開發(fā)，

有了很多令人矚目的重要成果。麻省理工學(xué)院的自動(dòng)組裝實(shí)驗(yàn)室，繼2013年3月成功地把3D打印的繩子放置在水中，使其自我彎折成“MIT”

    （麻省理工學(xué)院的英文縮寫）后，2014年1月又實(shí)現(xiàn)了讓“MIT”自動(dòng)變成“SAL”（其自動(dòng)組裝實(shí)驗(yàn)室的英文縮寫），并使打印出的一塊平板，按事先設(shè)計(jì)好的組裝方案形變?yōu)榱艘粋�(gè)立方體；2014年11月，它還實(shí)現(xiàn)了讓更多材質(zhì)，比如木頭、碳纖維、橡膠/塑料等一些材料擁有“自行組裝”的特性；2015年1月，該實(shí)驗(yàn)室曾利用模型設(shè)計(jì)軟件設(shè)定的時(shí)間和組合樣式，讓連接在一起的2279塊以3D打印方式打印出來(lái)的三角形模塊，在水中慢慢自動(dòng)合并變形成了一件鏤空的4D連衣裙，這種裙子會(huì)根據(jù)穿戴者的型體自我調(diào)整、變化甚至造型，一定程度解決了“量體裁衣”的問(wèn)題；不久，該實(shí)驗(yàn)室又打印出了世界上第一雙4D打印鞋子，它可依照人腳的形狀和大小動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，而且富有彈性的材料可讓制鞋的成本縮減到最小。2015年6月，西北大學(xué)國(guó)際納米技術(shù)研究所在納米級(jí)4D打印機(jī)研制方面跨出了一大步，使打印出來(lái)的對(duì)象可根據(jù)納米材料上的編碼信息，進(jìn)行轉(zhuǎn)換或者變形并執(zhí)行若干其它功能，從而促進(jìn)了智能復(fù)合材料的開發(fā)和拓展了4D打印的應(yīng)用。

       2015年10月，喬治亞技術(shù)學(xué)院和新加坡科技大學(xué)，聯(lián)合開發(fā)出了一種對(duì)熱量敏感的形狀記憶高分子敏感4D打印材料，它與其他不同材料集合后打印出的物體，在溫度發(fā)生變化時(shí)，能按照程序改變成另一種形狀；例如，把一個(gè)打印出的細(xì)長(zhǎng)片插入鎖的鑰匙孔中，它立即就能根據(jù)溫度在孔中伸縮變形和硬化，預(yù)示著有可能變成一把真正的鑰匙---如此以來(lái)，其外形就可能有著視使用環(huán)境不同而改變的特性，使這種材料有望在無(wú)人航空器和潛水器以及醫(yī)療器械、人體器官支架中使用。2015年11月，哈佛大學(xué)劉易斯研究團(tuán)隊(duì)，把從木漿中提取的纖維素纖維與丙烯酰胺水凝膠（遇水會(huì)膨脹擴(kuò)大的一種膠狀物）混合在一起，加入熒光染料后制成了一種新型4D打印材料，它比此前麻省理工學(xué)院由剛性和柔性材料組合的打印材料性能更好，有利于編程制作復(fù)雜物體，因?yàn)樗�包含許多微小纖維的膠狀物質(zhì)，硬度及水溶性都能根據(jù)不同排列方式發(fā)生變化，在“編碼”后將打印出的物體變?yōu)楦�加�?fù)雜的形狀---兩朵形狀一樣的花，它們被浸沒(méi)到水里之后，五個(gè)花瓣卷曲的方向不同，外形和色彩都與真正的蘭花非常接近；該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)正在探索4D打印在醫(yī)學(xué)植入等方面的潛在應(yīng)用，包括最終培育出新器官的組織和受損組織的替代品---它們先像一張平板紙一樣被打印出來(lái)，然后自行變成人們需要的不同形狀，并且這種打印材料還能進(jìn)一步被改進(jìn)，以便使它可應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境變化，讓打印出的物體根據(jù)冷、熱、電流或生物情況“隨機(jī)應(yīng)變”。2015年12月，美國(guó)科技巨頭惠普公司宣布，在推動(dòng)4D打印機(jī)研發(fā)的同時(shí)，它開發(fā)了擁有4D打印的一種微流控材料，這種材料具有特定的導(dǎo)電屬性，可用于新型電子器件的4D打印制作。

      除美國(guó)外，其他國(guó)家在4D 打印領(lǐng)域的研發(fā)也在不斷向前推進(jìn)。2014年1月，新加坡技術(shù)與設(shè)計(jì)大學(xué)聯(lián)合美國(guó)科羅拉多大學(xué)波德分校，將

     擁有形狀記憶能力的聚合纖維混入傳統(tǒng)3D打印所使用的復(fù)合材料中，制造出可以像“變形金剛”一樣變換出各種形狀的新型智能復(fù)合材料。

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