近日，西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種新的4D打印材料。這種材料具有優(yōu)異的自修復(fù)性、重塑性，可應(yīng)用于機(jī)器人、智能警報(bào)器、生物植入體等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。
4D打印實(shí)現(xiàn)的構(gòu)件展現(xiàn)出聰慧的自適應(yīng)、自組裝、甚至是自修復(fù)能力，展現(xiàn)出在生物醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)制造、航空航天等領(lǐng)域的巨大潛力，受到了越來越多人的關(guān)注。
3D打印方興未艾，4D打印已撲面而來。
4D打印，增加的不只是一個(gè)“D”
北京環(huán)球影城的“形象大使”威震天，雖然只是科幻電影中的虛擬形象，但這一可根據(jù)需要變形的機(jī)器人，喚起一代人的童年記憶，一經(jīng)推出即圈粉無數(shù)。相信很多孩子都有過這樣的想象——拐杖可在下雨的時(shí)候自動(dòng)變成雨傘，沙發(fā)能根據(jù)承載人的高矮胖瘦自動(dòng)調(diào)整形狀，衣服可隨環(huán)境條件變化自動(dòng)改變顏色……4D打印的出現(xiàn)，可能會(huì)將這樣的幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
2013年TED(Technology、Entertainment、Design)大會(huì)上，來自麻省理工學(xué)院的研究員斯凱拉·蒂比斯演示了一個(gè)神奇的實(shí)驗(yàn)。他將3D打印制造出的多串繩狀PVC復(fù)合材料放入水中后，這種材料自動(dòng)改變自身形狀，組成了麻省理工學(xué)院的縮寫字母“MIT”。以實(shí)驗(yàn)的方式，研究人員將4D打印最直觀地展現(xiàn)在了人們面前。
在4D打印發(fā)展初期，人們普遍認(rèn)為4D打印是在3D打印的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)時(shí)間維度。即打印出的物體可以隨著時(shí)間推移在形態(tài)結(jié)構(gòu)上自我進(jìn)行調(diào)整，最終自動(dòng)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)要求。
然而，4D打印比3D打印不只是增加了一個(gè)“D”(dimension，維度)。
隨著研究的持續(xù)推進(jìn)，科學(xué)家認(rèn)為，4D打印的概念至少應(yīng)該包括兩個(gè)方面：一是它在3D打印基礎(chǔ)上增加了新的時(shí)間維度，同時(shí)空間維度也得到進(jìn)一步拓展，增強(qiáng)了打印構(gòu)件隨時(shí)空變化的能力；二是在外界特定環(huán)境條件的刺激下，4D打印不僅能夠制造形狀發(fā)生可控變化的構(gòu)件，也能夠制造性能、功能發(fā)生可控變化的構(gòu)件。
4D打印之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種神奇的效果，關(guān)鍵在于它以智能材料作為主要原料。4D打印生成的產(chǎn)品在特定環(huán)境(比如水、熱、電、光、磁等)和交互機(jī)制作用下，能夠形成具有智能動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特征的產(chǎn)品——這與以普通材料作為原料、輸出靜態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的3D打印有著很大的不同。因此，4D打印也被認(rèn)為是智能材料的3D打印。
4D打印生成的產(chǎn)品變化并非是隨機(jī)的，而是在研究人員預(yù)先的“編程”控制下。通過“編程”將設(shè)計(jì)融入智能材料，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造的一體化，從而簡(jiǎn)化了從設(shè)計(jì)理念到實(shí)物的創(chuàng)造過程。4D打印將“程序化”的造物方式變成了現(xiàn)實(shí)，因此有人說，3D打印的產(chǎn)品是“死”的，而4D打印的產(chǎn)品是“活”的。
風(fēng)勁揚(yáng)帆正當(dāng)時(shí)
隨著人類社會(huì)闊步向智能化時(shí)代邁進(jìn)，4D打印技術(shù)恰逢其時(shí)，它與智能材料相互促進(jìn)、共同發(fā)展，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用發(fā)展前景。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，4D打印技術(shù)已在智能植入支架、藥物遞送裝置以及器官替代物等方面取得重要進(jìn)展。
2021年底，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種新型水凝膠材料，成功實(shí)現(xiàn)4D打印血管支架，有望解決血管支架在體內(nèi)植入后難以再變形的問題；中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研究團(tuán)隊(duì)利用4D打印技術(shù)制造出了一款納米級(jí)軟體機(jī)器人，可以派它進(jìn)入人體，進(jìn)行藥物搬運(yùn)和控釋；青島大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種4D打印干細(xì)胞載體，用這種“創(chuàng)口貼”把干細(xì)胞“貼上去”，就可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)面皮膚的快速再生修復(fù)……
在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，4D打印技術(shù)呈現(xiàn)出另一個(gè)發(fā)展方向——打印出體積較小的物品，然后自行組裝為最終產(chǎn)品。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一款特殊的4D打印代碼。這種代碼可以使得成品在加熱后按照預(yù)先設(shè)定好的規(guī)律折疊。打印出的成品看上去只是一片普通的塑料板，但是加熱后，它就會(huì)變成花朵、椅子等不同形狀。這項(xiàng)技術(shù)為制造業(yè)提供了一種可能，利用4D打印技術(shù)制造軟件進(jìn)行原形設(shè)計(jì)，打印后產(chǎn)品可根據(jù)實(shí)際需要，在特定時(shí)間或特定環(huán)境下自動(dòng)組裝成最初設(shè)定的形狀，從而大幅降低產(chǎn)品的制造以及存儲(chǔ)、運(yùn)輸成本。
在航空航天領(lǐng)域，4D打印技術(shù)的應(yīng)用可降低部件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度、減少成本、提高航空航天器的性能。
比如4D打印的折疊式衛(wèi)星天線，在發(fā)射前先將其加熱至特定溫度以上，揉成團(tuán)狀放入發(fā)射裝置中，再冷卻固定形狀；進(jìn)入運(yùn)行軌道后，利用太陽(yáng)能加熱天線，天線能夠重新恢復(fù)到原始形狀并正常工作。這種衛(wèi)星天線可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)合理利用衛(wèi)星空間、顯著降低發(fā)射成本。
此外，4D打印的智能材料還可以更好地適應(yīng)外太空惡劣環(huán)境，我國(guó)“祝融號(hào)”火星車在火星展示的中國(guó)國(guó)旗，就是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研制的形狀記憶聚合物材料制成。它可在火星低溫、高輻射的惡劣環(huán)境中自主展開并保持狀態(tài)穩(wěn)定。
軍事應(yīng)用尤可期
4D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用尤為值得關(guān)注。2022年8月，聯(lián)合市場(chǎng)研究公司(Allied Market Research)報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2040年全球軍用4D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)6.734億美元。美國(guó)市場(chǎng)觀察網(wǎng)站報(bào)道也指出，軍用3D和4D打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2022～2031年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過10%。由此可以看出，4D打印技術(shù)對(duì)國(guó)防戰(zhàn)略的重要性。
自適應(yīng)偽裝作戰(zhàn)服是軍事領(lǐng)域探索應(yīng)用增材制造技術(shù)較早的項(xiàng)目之一。它可以實(shí)現(xiàn)像變色龍一樣、隨環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)節(jié)自身顏色以增強(qiáng)偽裝效果。隨著4D打印技術(shù)的出現(xiàn)和智能材料的發(fā)展，這種作戰(zhàn)服的偽裝功能正在得到進(jìn)一步提升，或可在隱蔽作戰(zhàn)方面對(duì)未來戰(zhàn)場(chǎng)產(chǎn)生革命性影響。
利用4D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制造的武器裝備構(gòu)件，能夠在瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的相應(yīng)變化，從而提升環(huán)境適應(yīng)性、優(yōu)化性能、降低成本。美國(guó)國(guó)家航空航天局基于4D打印技術(shù)提出一種未來智能變體飛機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)想——該飛機(jī)的外形可隨外界環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)變化，比如改變展長(zhǎng)、優(yōu)化升阻比以增大航程和航時(shí)，改變機(jī)翼彎度以增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性等，從而獲得更好的作戰(zhàn)性能。加拿大的研究人員也在利用4D打印技術(shù)為無人機(jī)開發(fā)一種新型的自適應(yīng)柔性機(jī)翼，這將使無人機(jī)的機(jī)翼飛行效率更高、制造成本更低。
4D打印的自組裝能力同樣在軍事領(lǐng)域有著廣泛的適用性。野營(yíng)帳篷、單兵救生艇、戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)支架等裝備在打印后，可呈壓縮或者折疊狀態(tài)以便于存放，使用時(shí)再自動(dòng)展開成預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀。這樣大大簡(jiǎn)化了組裝的步驟和過程，減少了裝配零件的成本，也更便于攜帶和運(yùn)輸。
作為一種正處于快速上升趨勢(shì)的新型增材制造技術(shù)，4D打印實(shí)現(xiàn)了新材料、新工藝、新機(jī)理的組合創(chuàng)新運(yùn)用，推動(dòng)了“材料-結(jié)構(gòu)-功能”的一體化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)制造，促進(jìn)了制造方式向智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。盡管它還面臨智能材料種類與性能、打印工藝與裝備、智能構(gòu)件的評(píng)測(cè)與檢驗(yàn)等諸多方面的挑戰(zhàn)，但4D打印的美好未來依然可期。
鄭昌興 趙 輝 嚴(yán) 明