[科普中国]-4D打印

4D打印技术是指由3D技术打印出来的结构能够在外界激励下发生形状或者结构的改变，直接将材料与结构的变形设计内置到物料当中，简化了从设计理念到实物的造物过程，让物体能自动组装构型,实现了产品设计、制造和装配的一体化融合。1

定义4D打印是指利用“可编程物质”和3D打印技术，制造出在预定的刺激下（如放入水中，或者加热、加压、通电、光照等）可自我变换物理属性（包括形态、密度、颜色、弹性、导电性、光学特性、电磁特性等）的三维物体。其中，“可编程物质”是指能够以编程方式改变外形、密度、导电性、颜色、光学特性、电磁特性等属性的物质。4D打印的第四维是指物体在制造出来以后，其形状或性能可以自我变换。

4D打印制造的物体至少有两种形式：一种是物体的各部分连接在一起，可自我变换成另一种形态或性能；另一种是该物体由可分离的三维像素（一种基于体积的像素，与平面像素类似，三维像素是“可编程物质”的基本单元，不同的“可编程物质”具有不同的三维像素）组成，三维像素可聚集形成更大的可编程部件，该部件也可分解成三维像素。2

构成要素4D打印的主要构成要素可以分为四个部分：智能或刺激反馈材料、4D打印设备、外部刺激因子、智能化设计过程。

1、智能或刺激反馈材料

4D打印产物能够根据应用场景的特定需求、刺激因子的特定作用条件的自发变化，展现出“智能”特性，使研究者将构成这类特殊物质的基本材料称之为“智能材料”（Smart Material），这种命名方式是以产物实际应用所表现出的自发行为作参考的。“刺激反馈”是构成4D打印体材料的基本属性之一，该命名方式侧重于材料能够接受预设刺激，并产生一定反馈结果的能力。前者从4D打印产物效能的角度对材料进行命名，而后者侧重于材料本身所具有的属性。

2、4D打印设备

在通常情况下，4D打印结构是通过打印设备将不同材料合理分布并一次成型的结构体。不同的材料属性，例如，溶胀比、热膨胀系数，可以使结构按特定方式变化成为可能。近年来，Stratasys公司所研发的聚合物喷射（Poly Jet Technology）3D打印技术，在处理复合材料打印方面取得了较大进展；选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting）则实现使用具有高能量密度的激光，熔化金属粉末层以创造均匀的3D金属结构，而不需要任何粘合剂和额外的支持，这些进步都推动了4D打印的发展。

3、刺激因子

刺激因子是用来改变4D打印结构体形状、属性和功能变化的触发器。研究者目前在4D打印领域中已经运用的刺激因子包括：水、温度、紫外线、光与热的组合以及水与热的组合。刺激因子的选择取决于特定的应用领域，这同样也决定了4D打印结构体中智能材料的选择。

4、智能化设计过程

尽管智能材料自身在打印对象形态变化中扮演着至关重要的角色，但是，基于对交互机制、可预测行为和需求参数充分考虑的复杂的设计过程，也能够保证达到可控结果的环节之一。4D打印技术的优势在于其在空间合理分布不同材料，以创造复杂的3D形态的能力。通过设计智能材料分布的方向、位置，我们可以使结构体受刺激因子的刺激后，产生形态上的变化。3

打印流程由于4D打印结构体具有基于时间变化的特性，设计和制作流程中存在一个或多个中间形态。

1．数字化设计过程

传统的3D打印技术，可以通过专业扫描仪或者DIY扫描设备获取对象的3D数据，也可以使用3D制作软件从零开始建立三维数字化模型。不同于3D打印先建模、后生产的制造流程，4D打印由于其能够变化的特性，在数字化建模之初，就将材料的触发介质、时间等变形因素，以及其它相关数字化参数预先植入打印材料中。

2．中间件成型过程

中间件成型过程，即从3D打印设备开始工作到结构体离开工作台的过程。此过程需要全新的3D打印设施的工作。Gladman等人认为，4D打印过程中需要适当的数学模型的支持。在该过程中存在的数学问题包括：如何预测结构体基于时间的形态变化过程，包括变化后的形态；如何提供避免自组装行为过程中组件发生碰撞的理论模型；如何减少自组装过程中的试错性行为。这些需要考虑的数学问题，必须通过智能化的计算芯片加以判断、解决。值得注意的是，未来人工智能芯片可植入到3D打印设备之中，即3D打印设备也将具有“智慧性”。通过对数字化设计完成之后，传输到打印设备上进行数据分析，可以对材料进行合理安排，以保证最后的打印效果。可以预测，未来4D打印设备会朝标准化、模块化的方向发展。不同模块的可替换性，能够基本保证针对不同材料、不同平台的支持。3

主要优势1、实物可从一种形态转换成另一种形态，提供了最大限度的产品设计自由度。

2、可在打印部件中嵌入驱动、逻辑及感知等能力，且无需额外的时间和成本。

3、可在同一批次产品中定制生产。

4、生产个性化产品是4D打印的独特优势。

5、可先打印极其简单的结构，然后通过外部刺激转变成具有复杂功能的结构和系统。

6、一旦制造出4D打印材料并嵌入动态功能，生产成品的功能将超过预期。

7、可从根本上消除供应链和组装线。

8、利用设计和编程实现物质世界的数字化。

9、数字文件可发送到世界任何地点，并收集合适的三维像素，制造所需产品。

10、三维像素的设计和制造将成为新兴行业，所带来的影响将异常深远。+

11、将激发科学家和工程师想象各种多功能动态物体，之后进行物质编程，并利用4D打印实现，“物质程序化”这一新领域可能将兴起。2

应用领域**（一）生物、医疗领域**

1.人体组织及其组织器官

4D打印血管的材料不一定需要患者本人身上的细胞组织，只需在材料内部通过软件设计编程置入实践、触发介质等参数，以解决材料的唯一性难题。4D打印产品自我调整的特性，使制作取用的即时性也成为可能。在应用的适应性方面，4D打印的血管具有自我调节和自我修复的效果，这使得其在生物、医疗领域的应用有着其它技术无法企及的效果。

2.医疗器械

4D打印的主要应用构想，集中在人体植入物方面的医疗器械，如，纳米机器人、器官支架等。

（二）军事工业领域

4D打印的结构体具备自组装、多功能和自我修复能力，可以使未来军工设备根据部署现场环境和作战目标的不同，灵活调整以自适应实时战况，提高作战效能。结合4D打印技术的伪装服，可在兼顾轻便性的同时，能根据季节、周围环境重塑成需要的形态，为侦查人员执行任务提供便利性。4D打印还可以将大型军用设备，在未布置前以远比实际形状小得多的样子呈现，再将通过4D打印而成的结构放在特定的位置，然后自动变形、自动组装，在使用后还能回收带走。

（三）产品设计领域

与3D打印不同的是，4D打印将不再需要通过“定制”这一套程序来实现个性化产品制作，而是完全能即时地表达自己的想法并制作出来，且能随时更新自己的创意，从而用个性化元素构建自己的个性化生活，使得私人订制转向私人工厂，加快产品创新速度。在互联网+时代背景下，数字文件可在保证质量不受影响的情况下无限复制，而4D打印可以将这种数字精度扩展到实体领域，从而保证实体产品精确的批量生产，降低不良率，提高生产效率。

（四）交通工具

未来人们甚至可以根据所需汽车性能、外部形状、内部结构等购买汽车组件，随时随地通过组件的自组装形成个性化定制的汽车产品。与此同时，当前社会“停车难”的问题，随着资源、空间的日益消耗逐渐被放大，汽车以后甚至可以折叠成不占空间的形状，使停车问题不再令人头疼。未来4D打印汽车通过革新的智能材料，当重大事故或者自然灾害所产生的外部触发介质作用于材料时，其设计的反馈方式可最大程度保证车内乘客的安全，未来安全气囊可能被更具创造力的保护措施所取代。

（五）建筑与航空航天领域

4D打印在建筑领域具有无限的可能性，以地下排水系统为例，利用4D打印技术开发出的“自适应”水管，可以根据水管外壁受力的不同自行改变其管道直径、材料刚性，比如，遭遇洪水、地震等自然灾害时，能够扩大直径或者使材料变为柔性，以保证供水正常。另外，利用4D打印建构的房屋物理空间将被赋予可变性，根据光照变化等刺激因子的作用，房屋内部结构可以随用户需求而变化。例如会客时，卧室变为闲置空间。4D打印的房屋材料能通过一系列变化，将闲置卧室空间分配给会客所需的公共空间。

与建筑行业类似，航空航天工业对于空间的合理分配也有极高的要求，庞大的设备需要利用航天飞机的运送才能进入太空。而4D打印物体的自组装行为，能够为运输过程节省较大空间，可将打印完成的组件以便于运输的形状送往太空，在宇宙空间中完成自动变换形状、组装等行为，这将大大降低运输成本以及困难度。对于航空事业而言，运用4D打印技术制造的飞机，在面临特定环境变化时可以实现自我分解，以最为理想的状态（如，胶囊状安全防护罩）给乘客提供及时有效的保护。

（六）教育领域

4D打印也为教育行业打开了一扇新窗口，但目前鲜有机构、学者研究、探索如何将4D打印技术运用在教育领域中。传统教具、模型不具备“四维”的动态性，教师若通过特定的刺激方式使模型按照预定的变化方式，与课堂内容相结合，可以调动学习积极性、提高专注度。3

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学