“4D打印”，智能打印？

國內科技發燒友們對3D打印才剛剛有了一個朦朦朧朧的概念認知時，而美國的科學家們已經強勢將4D打印從幕后搬到了臺前。

什么是4D打印

聽起來4D只是比3D打印多了一個數字，但實際上卻是完全不同的概念。如果說3D打印就是用相應的材料按照之前預先建模的計劃完全復制，那么4D打印則是直接將想要的性狀輸入材料當中，然后打印出來的物體會自動變形、組合出現，這聽起來似乎神奇而玄妙。

用美國麻省理工學院的一句經典描述：在3D的基礎上提出了第四個緯度時間，隨著時間的推移，靜止的物體能夠變形和適應新的環境。4D打印其實就是使用可編程的智能材料實現物體的自我組裝。4D打印之所以可以實現原材料自動成形，最關鍵的是記憶材料，這是一種無需打印機就能夠讓材料成形的革命性新材料技術。

微尺度機器人

從上世紀90年代初開始，已經有一些富有想象力的科學家開始在討論可編程物體了。不過直到2007年，可編程物體的研究才獲得了快速發展。當時美國國防部資助了一項“可編程物體”的研究，目標是設計和建造微尺度級別的機器人，能夠組合或變形為更大型的軍用系統，如實體展示器或專用天線。研究人員將機器人縮小到毫米級尺度，差不多相當于一根鉛筆的粗細。

在幾年時間內，他們已經成功地展示了體積微小的變形機器人。現在，科學家已經著手開發納米級自主組裝設備，可以用作生化傳感器、電子設備，或是給藥載體。科學家感興趣的是如何實現可編程物體的尺度達到人體大小，在這一方面，4D打印無疑大派用場。同3D打印一樣，4D打印也是通過逐層下料來構建物體。區別是，通過4D打印，可以制造出能在一定條件下改變外形或性質的物體。

如何使用4D打印來建造不需要傳統機器人結構（馬達、電線和電子設備〕的機器。在美國麻省理工學院里，研究人員展示了大量成果，其中就包括一種利用特殊聚合物制成的蛇形物，能在注水后折疊出字母“MI”（麻省理工學院的英文縮寫）的形狀，這種聚合體還能自動從“MIT”自動變成“SAL”（自動組裝實驗室的英文縮寫）的形狀；還有一種平面結構，可以自行折疊成八面體；以及一種平圓盤，在接觸水時會變成彎曲的折疊結構。而美國弗吉尼亞理工大學的威廉姆研究小組又向前邁進一步，他們將4D打印同納米材料結合在一起。在打印出的物體中嵌入納米材料，就可以制造出能在電磁波（可見光和紫外光）的作用下改變屬性的多功能納米復合材料。例如，利用會在不同光照條件下改變顏色的嵌入式納米材料，在這類新材料的基礎上，該研究小組開發出了全新的傳感器，能夠植入醫療設備，用于測量血壓、胰島素水平和其他醫學指標的極限數值。

美軍很感興趣

3D打印需要建模掃描，但是4D打印更加智能，原材料可以自動成型，這就大大簡化了制造過程。美國陸軍和海軍已經開始了相關研究，希望能在戰場或軍艦上使用4D打印技術制造零件，以免除成千上萬個零部件因運輸和儲存帶來的巨大消耗，節約大量的時間、空間和費用。可編程物體的優勢還不止這些，想象一下，在潛艇上備一箱智能材料，會有多么方便：如果潛艇的某個零部件損壞了，或者需要某種特殊工具，只需使用相應的智能材料，并對其進行編程，把它們制成所需的零部件或工具就可以了。工具用完后，還可以讓它重新分解回智能材料，以備后用。

4D打印除制造一般零部件和工具等可編程物體外，還可以用于制造能根據外界環境及人體體征來調節溫度的新型作戰服。2014年，美國陸軍投入了近100萬美元，資助一項使用4D打印制造動態偽裝的研究。將目光放得更遠一些，再加上一些想象力，就可以預見，能通過形變來繞過或通過障礙物的機器人終將成為現實。

發展前景廣闊

此外，不管是軍用還是民用，可編程物體還可以在大型建筑領域一顯身手。未來的椅子能夠自己變成桌子，還有那些柔軟的、能自我修復的輸水管道。這樣，就可以在不需要人工參與的情況下，建造出結構復雜的機器。想象一下可能出現的自組裝建筑，它們不再需要磚頭或澆灌混凝土，只需將相當于建筑體積的程控物質一股腦倒入地基，然后命令它們“生長”或“穩定”成最終的結構，同時其中的水電線路也一應俱全。雖然對于普通的民居來說，似乎不必弄得如此復雜，但若在交戰區域或火星表面之類的惡劣環境下，這樣的自組裝房屋就變得非常有吸引力了。

在外層空間等惡劣環境中，這類系統尤其具有價值。例如，可以將一個小型壓縮包發射到太空中，進入預定軌道后，就能自動變形為一顆具有特定功能的人造衛星。其他用于外層空間的設備也可以設計成多種用途，比方說太陽能面板陣列，在需要時能夠變形成為拋物面天線或儲物艙。

除此之外，還有能根據氣壓或溫度變化自動調整形狀的飛機機翼；能隨路面和天氣狀況改變抓地面積的輪胎；自修補材料不僅可以保護飛機，也可以讓橋梁在交通流量突增或地震等突發情況下確保安全；當然，還有自組裝家具，幾乎人人都希望能買到這樣的東西：看起來只是一塊平板，卻能根據命令自動折疊出不同的家具。

（作者：梁姍姍）