3D打印方兴未艾，4D打印已扑面而来。随着人类社会阔步向智能化时代迈进，4D打印技术恰逢其时，它与3D打印、智能材料、可编程物质相互促进、共同发展，已经在众多领域显示出良好的应用发展前景。那么什么是4D打印？如何实现4D打印？4D打印在哪些领域有所应用？本期为“新兴材料”系列一，带您了解为何4D打印更“智能”。

4D打印技术的诞生

2013年，在美国的TED会议上麻省理工学院Tibbits首次提出4D打印概念，并展示了一根绳子在水中转变为“MIT”立体字样的过程，4D打印技术自此在学术界掀起了广泛的研究热潮。从此，增材制造技术便由原来的点线面体空间维度（3D）扩展到了时空维度（4D）。

4D打印技术的诞生可追溯至2007年美国国防高级研究计划局（DARPA）开展的“可编程物质”项目研究，该项目旨开发出一种可在软件控制或外界刺激的条件下转变成理想或有用形态的智能材料，实现根据需求在现场快速制造物资，并使军事装备能够根据指令改变形状。DARPA设想中的可编程物质是一种智能材料，包含驱动及传感机制，可以在软件控制或者外界条件的刺激下变形成为有用的形状。可编程物质的设想应用包括三维实体显示、可变形天线、可重构电子设备以及多功能现场制造设备等。

DARPA计划从模块化机器人、新型材料、纳米技术、微机电系统等多个领域对可编程材料开展研究，共有包含麻省理工学院在内的5所大学的研究团队参与该项研究。麻省理工学院研究团队在此项目支持下开发出可编程物质执行机构，能够根据温度的变化展开或折叠，并以此为基础制造出可自动折叠成飞机或舰船形状的机器人。

此后，麻省理工学院在DARPA的资助下继续开展一系列可编程物质方向的研究，并于2011年建立了自组装实验室，最终促成4D打印技术的问世。

4D打印与3D打印的区别

4D打印其实是在3D打印技术的基础上，增加了一个时间维度，通过可编程原理控制3D打印物体中的可变形要素，成型后物体的形状、性能等在受到光、热声、磁等环境刺激下可随时间再次发生变化，实现自动形变、自动修复、自动组装等功能，因此4D打印成为一种新型的以智能材料为驱动的变形实现技术。

与3D打印相同，4D打印是一种集材料科学、机械科学以及计算机科学等诸多学科高度交叉融合的先进制造技术。但又与3D打印不同，4D打印是一种具备动态演变能力的智能制造技术，是在3D打印基础上结合智能材料与智能结构设计，针对制造产品的形态、性能和功能方面的进一步发展。

4D打印作为新一代增材制造技术，其依赖于时间，独立于制造设备，并且其演变过程完全可预测、可设计和可控制。4D打印的先进性在于可以快速成型制造出具有环境自适应性动态演变的智能产品，从而区别于传统3D打印产品的功能单一、无变化的稳态特性。针对悬空、螺旋和中空等曲边曲面复杂结构，4D打印可以先快速成型制造出相应简单结构后，再由智能演变实现最终的产品形态和性质，从而达到减少加工时间和材料的目的。此外，4D打印直接将产品的“功能性”与产品的制造工艺相结合，在保留材料特殊性质的同时将其快速成型制造，从而实现智能产品的一体化成型制造。

4D打印的实际应用有哪些？

4D打印能塑造形态复杂、功能多变的物体，有望开辟设计的新世界，带来制造业的重大变革。如果打印出的物体能在预先设定的时间和地点实现自我组装，无需人类参与，那么必然会催生出一系列全新的技术。如果物体既有感知力，又有行动力，就意味着能自主适应环境。如果物体能自我检查并修复生产、使用中发生的损坏，则能减少对设备进行侵入性修理工作的需要。

具体的应用还有很多。在柔性机器人领域，4D打印助推了小型机器人的研发，使其朝着毫米级、微米级、甚至纳米级前进。这种机器人可在高危、狭小环境中完成任务，比如可以进入人体递送药物或实施微入侵式手术。在生物医药领域，有学者在研究如何利用4D打印技术制造支架、器官和智能组织。4D打印还能促进柔性嵌入型电子设备的发展，以及智慧城市所需的智能传感器的研发。

在能源领域，有学者在研究如何用4D打印技术将微型构架结合进柔性衬板中，提升太阳能板的发电效率。在消费者应用方面，可以想象4D打印用于设计未来的时尚服装，制造具有自适应特质的仿生布料或智能自折叠鞋。在建筑领域，4D打印能助推新型可持续设计理念。Hygroskin气候响应式建筑项目就是一个很好的例子，其建材充分发挥了木材吸湿性特质，让墙体上的模块能根据空气湿度自动展开或闭合，不需要人类操作或额外能量输入。最后，在艺术和更广义的科学领域，4D打印可用于多种类型的创作和研究，探索物质行为的本质，以及生命与人造物体之间的关系。

4D打印陶瓷

由于陶瓷有熔点高的特性，因此难以用传统的激光打印方法来制造陶瓷。而现在用3D打印的陶瓷前驱体通常难以变形，因此阻碍了一些形状复杂陶瓷的生产。

全球首次陶瓷4D打印

2018年，香港城市大学吕坚教授团队近期在材料研究方面取得突破性进展，实现全球首次陶瓷4D打印，并提出“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷概念。这种新型材料，不仅非常坚固，而且可以打印出复杂形状，在3C产品、航天器零部件特别是航空发动机制造等方面，拥有很大应用潜力。

吕坚教授表示，在过去数十年研究增材制造、3D打印的基础上，他率领团队进行陶瓷材料研究。在国家自然科学基金委等机构的支持下，吕坚通过2年半的努力，在全球首次实现陶瓷4D打印。

吕坚表示，陶瓷的熔点很高，常规的激光打印技术制造陶瓷非常困难，而现有的3D打印技术制造的陶瓷前驱体通常难以变形，影响了复杂形状陶瓷制品的生产。为此，吕坚团队研制出由某种聚合物和陶瓷纳米粒子混合而成的“陶瓷墨水”。使用这种“墨水”的3D打印陶瓷前驱体非常柔软，令陶瓷4D打印成为可能。

陶瓷领域新突破

在最近的研究中，为了在陶瓷领域实现新的突破，冒险科技团队提出并研究了陶瓷结构的4D打印。研究人员首先估算了不同固含量陶瓷材料的烧结收缩率，然后用DIW工艺制备了双层ZrO2 _ 2陶瓷。发现双层陶瓷在烧结过程中上下收缩的不匹配实现了其形状的变化。因此，陶瓷的4-D打印可以通过烧结产生的双层的自变形来实现。在DIW直写3D打印过程中，陶瓷材料的固含量和打印路径会影响陶瓷的自变形过程。通过精确调节上述两个参数，可以获得模拟花的几何形状的4D印刷陶瓷结构。

4D打印的未来

法国哲学家伯纳德·德·沙特尔曾说：“我们是坐在巨人肩膀上的侏儒。”继增材制造之后，4D打印必然会引发新一轮变革，彻底改变工业产品的设计和生产方式。与3D打印相比，4D打印的市场规模尚小，前者高达300亿欧元/年，后者只有3000-5000万欧元/年。这并不足为奇，毕竟新技术仍在起步期，但其颠覆行业的潜力已充分显现。未来，4D打印技术需要与可行的商业模式结合，并实现规模化、有成本竞争力的量产，还要有明确的发展路线图，并激发消费者的购买欲望，获得投资人和实业家的支持，才有希望实现产业化，走向市场成熟。