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構，適應潮濕的環(huán)境或撒過鹽的道路，以便更好地保護汽車免受腐蝕；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，不需要連接任何復雜的打印機，就能按照產品設計自動折疊成相應的形狀？而科學家告訴我們，這就是悄然而至的4D打印技術。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
3D打印方興未艾，4D打印已呼之欲出。
今年3月，在洛杉磯舉行的“技術、娛樂、設計”（TED）大會上，麻省理工學院的研究人員首次展示了新一代打印技術——4D打印，頓時“點亮”了眾人的目光。
談到4D打印過程，建筑師和電腦科學家斯凱勒·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適。剛性材料形成一個架構，其他層則是彎曲和扭轉該架構的力量來源。”
3D打印技術，是一種以數字模型文件為基礎，運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造物體的技術。其仍然符合一般傳統意義上的造物過程，先模擬后制造，或者一邊建物一邊調整模擬效果。而通過硬件和軟件的緊密結合，4D打印技術顛覆了這種方式。
從事4D打印技術研究的工程軟件開發(fā)商歐特克（Autodesk）公司首席研究科學家卡羅·奧古恩說：“4D打印讓快速建模有了根本性的轉變。與3D打印的預先建模、掃描，然后使用物料成形不同，4D打印直接將設計內置到物料當中，簡化了從設計理念到實物的造物過程。讓物體如機器般自動創(chuàng)造，無需連接任何復雜的機電設備。”
如此可見，4D打印比3D打印多的一個“D”表現在時間緯度上，這種革命性新技術可以通過軟件設定模型和時間，變形材料會在設定時間內快速成型。
可自變形材料是實現關鍵
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，也是其得以實現的關鍵。
據物理學家組織網報道，美國哈佛大學工程與應用科學學院、斯旺森工程學院大學、伊利諾伊大學的研究人員正在運用其在納米和微觀層面操縱材料的專業(yè)知識，通過3D打印生產可以在宏觀層面隨著時間推移修改其結構的材料。
該團隊課題組長、斯旺森工程學院大學化學工程教授安娜·C·巴拉茲解釋道：“我們建議根據外界的刺激，按需求開發(fā)可重新調整其形狀、性能或功能的自適應、仿生復合材料，而不是構建一個靜態(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構的材料，并且合成刺激響應組件及預測系統時序行為的能力，建立4D打印新領域的基礎。”
哈佛大學工程與應用科學學院生物啟發(fā)工程的教授詹妮弗·A·劉易斯補充說：“目前的3D打印技術允許研究人員能夠在納米和微觀層建立復雜的功能，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。復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。”
伊利諾伊大學合成材料科學與工程學院教授拉爾夫·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填料，為生產下一代智能傳感器、涂料、紡織及結構件開辟了新途徑。這種能力可以創(chuàng)建一種織物，通過改變其顏色響應光線；變化透氣性對溫度作出反應，甚至硬化其結構來延展外力，將創(chuàng)建自適應的、靈活的、輕盈且堅固的響應材料變?yōu)榭赡堋Ｕ沁@種復雜的功能決定了真正4D打印的游戲規(guī)則。
4D打印技術的潛在應用
在TED大會上展示的4D產品，是經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，該物體內部的“智能”材料利用水作為能量來源，帶來形狀的改變。在構造上，這款可以自動組裝的4D物體由數層塑料制成，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打印的潛在應用，蒂比斯透露，麻省理工學院自組裝實驗室正在與波士頓一家名為Geosyntec的公司開展合作，開發(fā)創(chuàng)新的基礎設施管路制造方案。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，推動內部的水體流動。水管能夠適應不同的容量或水流而自動進行擴張，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，也不需要那些復雜的閥門控制系統，這就是該管路本身所具備的性質。”
研究人員指出，該技術的下一個發(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構，可以徹底改變傳統的工業(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、有適應能力的新事物，而且這項技術終將帶來生物科學、材料科學、機器人、交通運輸、藝術甚至太空探索領域的革命性變化，未來它的發(fā)展前景將十分廣闊。對此，我們拭目以待。
