梁姍姍

什么是4D打?。?/b>

聽起來4D只是比3D打印多了一個數(shù)字，但實際上卻是完全不同的概念。如果說3D打印就是用相應的材料按照之前預先建模的計劃完全復制，那么4D打印則是直接將想要的性狀輸入材料當中，然后打印出來的物體會自動變形、組合出現(xiàn)，這聽起來似乎神奇而玄妙。

用美國麻省理工學院的一句經(jīng)典描述：在3D的基礎上提出了第四個緯度時間，隨著時間的推移，靜止的物體能夠變形和適應新的環(huán)境。4D打印其實就是使用可編程的智能材料實現(xiàn)物體的自我組裝。4D打印之所以可以實現(xiàn)原材料自動成形，最關鍵的是記憶材料，這是一種無需打印機就能夠讓材料成形的革命性新材料技術。

微尺度機器人

從上世紀90年代初開始，已經(jīng)有一些富有想象力的科學家開始在討論可編程物體了。不過直到2007年，可編程物體的研究才獲得了快速發(fā)展。當時美國國防部資助了一項“可編程物體”的研究，目標是設計和建造微尺度級別的機器人，能夠組合或變形為更大型的軍用系統(tǒng)，如實體展示器或專用天線。研究人員將機器人縮小到毫米級尺度，差不多相當于一根鉛筆的粗細。

在幾年時間內(nèi)，他們已經(jīng)成功地展示了體積微小的變形機器人?，F(xiàn)在，科學家已經(jīng)著手開發(fā)納米級自主組裝設備，可以用作生化傳感器、電子設備，或是給藥載體?？茖W家感興趣的是如何實現(xiàn)可編程物體的尺度達到人體大小，在這一方面，4D打印無疑大派用場。同3D打印一樣，4D打印也是通過逐層下料來構建物體。區(qū)別是，通過4D打印，可以制造出能在一定條件下改變外形或性質(zhì)的物體。

如何使用4D打印來建造不需要傳統(tǒng)機器人結構（馬達、電線和電子設備〕的機器。在美國麻省理工學院里，研究人員展示了大量成果，其中就包括一種利用特殊聚合物制成的蛇形物，能在注水后折疊出字母 “MIT”（麻省理工學院的英文縮寫）的形狀，這種聚合體還能自動從“MIT”自動變成“SAL”（自動組裝實驗室的英文縮寫）的形狀；還有一種平面結構，可以自行折疊成八面體；以及一種平圓盤，在接觸水時會變成彎曲的折疊結構。而美國弗吉尼亞理工大學的威廉姆研究小組又向前邁進一步，他們將4D打印同納米材料結合在一起。在打印出的物體中嵌入納米材料，就可以制造出能在電磁波（可見光和紫外光）的作用下改變屬性的多功能納米復合材料。例如，利用會在不同光照條件下改變顏色的嵌入式納米材料，在這類新材料的基礎上，該研究小組開發(fā)出了全新的傳感器，能夠植入醫(yī)療設備，用于測量血壓、胰島素水平和其他醫(yī)學指標的極限數(shù)值。

美軍很感興趣

3D打印需要建模掃描，但是4D打印更加智能，原材料可以自動成型，這就大大簡化了制造過程。美國陸軍和海軍已經(jīng)開始了相關研究，希望能在戰(zhàn)場或軍艦上使用4D打印技術制造零件，以免除成千上萬個零部件因運輸和儲存帶來的巨大消耗，節(jié)約大量的時間、空間和費用。可編程物體的優(yōu)勢還不止這些，想象一下，在潛艇上備一箱智能材料，會有多么方便：如果潛艇的某個零部件損壞了，或者需要某種特殊工具，只需使用相應的智能材料，并對其進行編程，把它們制成所需的零部件或工具就可以了。工具用完后，還可以讓它重新分解回智能材料，以備后用。

4D打印除制造一般零部件和工具等可編程物體外，還可以用于制造能根據(jù)外界環(huán)境及人體體征來調(diào)節(jié)溫度的新型作戰(zhàn)服。2014年，美國陸軍投入了近100萬美元，資助一項使用4D打印制造動態(tài)偽裝的研究。將目光放得更遠一些，再加上一些想象力，就可以預見，能通過形變來繞過或通過障礙物的機器人終將成為現(xiàn)實。

發(fā)展前景廣闊

此外，不管是軍用還是民用，可編程物體還可以在大型建筑領域一顯身手。未來的椅子能夠自己變成桌子，還有那些柔軟的、能自我修復的輸水管道。這樣，就可以在不需要人工參與的情況下，建造出結構復雜的機器。想象一下可能出現(xiàn)的自組裝建筑，它們不再需要磚頭或澆灌混凝土，只需將相當于建筑體積的程控物質(zhì)一股腦倒入地基，然后命令它們“生長”或“穩(wěn)定”成最終的結構，同時其中的水電線路也一應俱全。雖然對于普通的民居來說，似乎不必弄得如此復雜，但若在交戰(zhàn)區(qū)域或火星表面之類的惡劣環(huán)境下，這樣的自組裝房屋就變得非常有吸引力了。

在外層空間等惡劣環(huán)境中，這類系統(tǒng)尤其具有價值。例如，可以將一個小型壓縮包發(fā)射到太空中，進入預定軌道后， 就能自動變形為一顆具有特定功能的人造衛(wèi)星。其他用于外層空間的設備也可以設計成多種用途，比方說太陽能面板陣列，在需要時能夠變形成為拋物面天線或儲物艙。

除此之外，還有能根據(jù)氣壓或溫度變化自動調(diào)整形狀的飛機機翼；能隨路面和天氣狀況改變抓地面積的輪胎；自修補材料不僅可以保護飛機，也可以讓橋梁在交通流量突增或地震等突發(fā)情況下確保安全；當然，還有自組裝家具，幾乎人人都希望能買到這樣的東西：看起來只是一塊平板，卻能根據(jù)命令自動折疊出不同的家具。