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4D打印：梦想照进现实
首都经济贸易大学博士研究生.主要研究领域为创客教育、3D打印和虚拟现实技术.2014年9月开始从事三维设计与3D打印的教学与研究工作,东城区教师研修中心三维设计核心专家组成员.2015年10月起负责虚拟现实系统的应用和课程开发,探索虚拟现实技术与3D打印课程和基础课程的跨学科融合.承担的课题有《中学生创客教育中3D打印技术的应用》《基于虚拟现实技术的3D打印交互式教学模式探究》等.
作为当下风头正劲的前沿技术之一,3D打印已经经历了从概念到流行、从流行到产业化的阶段.汽车、房子、飞机零件、假肢甚至是,一时间世界上任何东西仿佛都可以通过3D打印机打印出来.当人们还沉浸在3D打印技术的神奇时,在美国的TED大会上,来自麻省理工学院（MIT）的蒂比茨团队已经向世人展示了其4D打印的初步技术.
4D打印的概念与原理
何为 4D 打印？麻省理工学院的研究员斯凯勒·蒂比茨通过一个实验,向我们展示了这种新一代打印技术.在演示中,他将一段绳状物放入水中, 该物体能自动折成MIT字样的立体结构.4D打印就是在3D打印的基础上增加了时间维度T,是可编程材料实现自我构建和重组装的技术.即在3D打印过程中,在预先设定的部位内置入智能材料.打印完成后,将产品置于特定的环境中,智能材料在外界环境的作用下发生物理或化学变化,导致产品形状、强度等发生改变,最终按照产品设计,折叠成相应形状.正如斯凯勒·蒂比茨所言：“4D打印技术就是把智慧植入到材料中去”.
4D打印的核心技术
1．可编程材料（Programmable Matter,PM）
4D打印技术的关键更多地是依赖智能材料,而非打印技术.它所需要的并非一般的普通材料,而是带有记忆功能的智能材料,是一种能够感知外部刺激,如水、光、电磁场等,将传感、控制和驱动三种功能集于一身,并能够通过判断而进行自我变形、组装的新型功能材料.该材料不仅具备3D打印材料的可打印性,还要具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我变形能力、自我组装能力、自我诊断能力、自我修复能力和超强适应能力,以及快速响应的变形组装能力.现阶段,4D打印所需要的材料一般包括电活性聚合物（EPA）、形状记忆材料（M）、压电材料、电磁流变体、磁致伸缩材料等.
2. 触发变形的“催化剂”
除了智能材料外,4D打印还有另一项非常关键的决定性因素,即要有能够触发4D打印产品自我组装或自我变形的“催化剂”.这些“催化剂”不仅仅包括水,根据不同的智能材料,还可能包含光、热、声音、震动、气体,甚至是电磁场.也就是说,通过软件设定好模型后,在特定环境下,无需人为干预,无需额外提供能量,4D打印生产的智能产品便可按照事先的设计,在规定的时间内进行自我组装.
3. 增材制造技术
增材制造技术,又称快速成型技术,是近20年来信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术.增材制造依据三维设计数据逐层累加材料的方法制造实体零件.其制造原理是材料逐点累积形成面,之后逐面累积成为体.增材制造技术作为3D打印技术的核心技术,目前已经发展成熟.基于此技术的各种打印材料也是层出不穷.ABS、PLA、石蜡等打印耗材是目前最为流行的材料,而用于食品3D打印的,例如,3D打印巧克力和3D打印煎饼等也是应用此技术.
4D打印的应用设想
4D打印能够打印出随时间变化而改变的物体.如此一来,未来产品的属性和工艺就将发生根本变革,产品也将会以一种全新的方式出现在人们面前,可以根据使用者的需求做出相应的调整.另外,产品的适应性会更加突出,不仅能够感知环境的变化进行自我重新配置,还能够在产品出现故障或受损时进行自我修复,以重新满足用户的需求.
根据4D打印的特点,目前初步设想应用于以下几个领域.但可以肯定的是,4D打印的应用远远不止这些.
1. 军事领域
美国军队已经将3D打印技术应用于军事设施和装备中,成功地打印出军工零件,且应用的规模和兵种正在不断扩大.可以想象,未来采用4D打印技术制造出的零部件可实现自行装配.大型作战武器平台可使用4D打印进行生产,在受到敌人攻击受伤后,很快可以将损坏的部件拆除,安装上再生后的部件,从而实现自行修复的效果.
2. 公共领域
4D打印在公共领域中的应用也是具有广泛前景的.城市中的公共服务设施往往设计复杂、结构庞大,且造价昂贵.如果某一部分受损或需要重新调整,传统的做法就是大兴土木,耗费大量的人力和物力进行旷日持久的改造.随着4D打印技术的出现和成熟,在公共设施的设计和建造过程中使用4D打印材料,可以通过不同的触发来改变部件的形状和尺寸,在部件损坏时,还可以根据对环境变化的感知,及时地进行自我修复,大大减少了时间成本和人力消耗.
3. 医疗领域
如今,3D打印技术已经广泛应用于医疗领域.人造器官、人肢、人造骨头等医学案例令人称奇.4D打印出现后,将在医疗领域发挥更大的作用,从而极大地降低医疗成本,减轻患者病痛.借助于4D打印技术,在为病人安装心脏支架时无需做开胸手术,只需向血液循环系统中注射入携带设计方案的智能材料,待其到达心脏指定部位后自行组装成支架即可.
除此之外,4D打印技术还可用于治疗癌症和更换受损的软组织.在抗癌药物研发的过程中,可将癌细胞设置为触发“抗癌物”变形的催化剂.当“抗癌物”遭遇癌细胞时,可以自动触发变形,直接将癌细胞吞噬,并自行分解随人体代谢排出体外.在更换受损的软组织时,4D打印的植入物可随人体内的实际情况来进行变化,从而最大限度地减少人体排斥的不良反应.
4D打印发展的障碍
3D打印的发展虽然迅速,但至今仍未普及.核心问题是打印设备的技术与打印材料的单一两方面.4D打印作为新生技术同样会面临技术环节的制约,主要瓶颈大致有三个方面.
首先是打印机硬件的制约.4D打印技术要想迅速发展,打印机的尺寸和是最重要的因素.从目前的发展方向来看,打印机应向大型化和小型化发展.一方面打印大型构件需要大型的4D打印机,这就使得打印机的必然会十分昂贵；另一方面,4D打印的普及需要进入家庭,而如何做到小型化的同时保证打印精度还需要走很长的一段路.
其次是打印材料的制约.与3D打印相类似,打印材料也是制约4D打印发展的瓶颈之一.由于4D打印加入了时间维度,因此对于打印材料的要求更为复杂.4D打印的材料是带有记忆的智能材料,它能够感知外部环境的刺激,并具有能够进行自我变形和自我更新的特性.未来如何开发出更加简单和低价的打印材料是4D打印技术亟待解决的问题.
最后是设计软件的制约.用于3D打印的三维设计软件种类繁多,但3D打印软件却只有少数几种.4D打印之所以能够通过介质触发,从而在特定的时间和环境下进行自我变形和更新,除了材料本身与打印技术之外,另外一个关键要素就是软件的设计,也就是通过对打印材料的设计,将变形要素直接设计在打印材料中.因此,如何专业化地让用户“傻瓜式”地操作是影响4D打印普及的重要因素.
结束语
如今,我们已经真切的体验到3D打印带来的精彩与便捷.接下来,我们必将张开怀抱迎接4D打印时代的到来.随着资本的注入和技术的快速发展,制约4D打印发展的诸多问题和瓶颈将很快得到有效解决,这也必将引领新一轮的制造业变革.4D打印将会给人类社会的发展带来深刻的变化与影响,将人类的梦想变为现实.@
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