文／王冠云，潘德瀛，張雨陽、，陶 冶，孫凌云（.浙江大學 國際設(shè)計研究院；.浙大城市學院 工業(yè)設(shè)計系）

3D打印作為一種常用的增材制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用可黏合材料，通過逐層打印制造物體的成型技術(shù)[1-4]；而4D打印是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了一個時間維度，通過可編程原理控制3D打印物體中的可變形要素，成型后物體的形狀、性能等在受到光、熱等環(huán)境刺激下可隨時間再次發(fā)生變化[5,6]，實現(xiàn)自動形變、自動修復(fù)、自動組裝等功能，因此4D打印成為一種新型的以智能材料為驅(qū)動的變形實現(xiàn)技術(shù)（見圖1）。4D打印的概念由麻省理工學院的Skylar Tibbits在2013年TED大會上首次提出[7]。

圖1 3D打印與4D打印的技術(shù)關(guān)聯(lián)性

作為一種較為前沿的變形產(chǎn)品設(shè)計與制造技術(shù)，4D打印技術(shù)為數(shù)字化設(shè)計與制造領(lǐng)域注入了新鮮的血液，為智能產(chǎn)品設(shè)計、人機交互設(shè)計等提供了多樣化發(fā)展的機遇[8,9]。同時，4D打印的實現(xiàn)需要智能材料研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工技術(shù)以及外界驅(qū)動機制的協(xié)同配合，也為其應(yīng)用發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。

一、4 D打印研究進展與實現(xiàn)要素

近年來，隨著智能材料與數(shù)字制造技術(shù)的發(fā)展，4D打印實現(xiàn)技術(shù)條件逐漸成熟，在材料領(lǐng)域[10]、人機交互領(lǐng)域[11]和設(shè)計領(lǐng)域[12]吸引了眾多科學家、研究者和設(shè)計師參與，涌現(xiàn)了越來越成熟的變形技術(shù)與豐富的變形設(shè)計案例。從已有案例中可以發(fā)現(xiàn)，4D打印技術(shù)的主要構(gòu)成要素包括智能材料、可編程結(jié)構(gòu)、3D打印技術(shù)、刺激條件、變形行為等內(nèi)容，每一個環(huán)節(jié)對于4D打印變形效果的實現(xiàn)都至關(guān)重要（見圖2）。

1.1 智能材料

4D打印的變形原理來源于具備一定“智能”屬性的材料，通常被稱為智能材料（Smart Material），它可以是實驗室中的水凝膠制劑，也可以是生活中常見的食物材料，只要具備可變性、可打印性和可控性，都可以作為4D打印變形設(shè)計的原料。材料的“智能”屬性通常體現(xiàn)在形狀改變（Shape-Change）或記憶特性（Shape-Memory），其特征在于材料具備兩個及以上的物理狀態(tài)，依靠外部條件可以實現(xiàn)不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。例如，常見的消費級3D打印機所用的熱塑材料PLA（Polylactic Acid），即是形狀記憶材料的一種。在打印過程中，PLA被高溫熔化并粘附在打印平臺上，同時材料中的分子結(jié)構(gòu)被拉伸，此時在冷卻的過程中，材料內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力并被儲存下來，之后經(jīng)過熱刺激，材料便會釋放殘余應(yīng)力，從而使得物體外形發(fā)生改變?？傊?，利用材料的變形屬性以及對其進行的外部條件控制，可以實現(xiàn)物體形態(tài)的變化。目前，很多研究者開展了基于智能材料的變形設(shè)計研究，如WANG[13]等設(shè)計的“可編程的線”，使用單一材料PLA實現(xiàn)了多維度的變形設(shè)計；TIBBITS等[5]利用材料的水響應(yīng)特性，實現(xiàn)了由2D平面結(jié)構(gòu)自行組裝成正八面體的形狀設(shè)計；YAO等[14]利用納豆細胞遇濕膨脹的特性設(shè)計出“會呼吸的衣服”；TAO等[15]利用面片吸水膨脹的特性設(shè)計出“可變形的意大利面”。

1.2 可編程結(jié)構(gòu)

智能材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式是影響4D打印變形行為的關(guān)鍵要素，也是變形行為的主要設(shè)計要素。比較常見的結(jié)構(gòu)形式主要有疊加復(fù)合型結(jié)構(gòu)和像素摻雜型結(jié)構(gòu)。其中，疊加復(fù)合型結(jié)構(gòu)是指物體由多個部分貼合在一起，復(fù)合界限為線或面，如圖2中所示的雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)，通常以平片的形式疊加在一起，由于層級之前的屬性差異而引起形狀變化。像素摻雜型結(jié)構(gòu)是指物體有可離散分布的像素組成，將一種或多種材料以顆粒的狀態(tài)摻雜進另一種材料實現(xiàn)。圖2中所示的梯度像素結(jié)構(gòu)和復(fù)雜像素結(jié)構(gòu)，通過可編程的像素化設(shè)計，可以實現(xiàn)更精準和更復(fù)雜的形狀變化控制。

圖2 4D打印實現(xiàn)要素

1.3 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是4D打印技術(shù)的制造基礎(chǔ)，是將4D變形設(shè)計實體化的重要過程。比較常見的可用于4D打印的3D打印技術(shù)包括熔融沉積式（Fused Deposition Modeling）、擠 壓 噴 墨 式（Ink,Glue and Lithography）和燒結(jié)與固化式（Powder and UV Cured）。熔融沉積成型技術(shù)是將各種熱熔性線狀材料加熱融化、打印粘連、再冷卻成型，例如常見的可熔融沉積打印的熱塑性塑料（PLA、ABS、PCL等）。該種技術(shù)打印簡單、材料易得，因此成為近年來發(fā)展較快的低成本4D打印技術(shù)。擠壓噴墨成型技術(shù)包括半液態(tài)材料的擠壓成型和液態(tài)墨水的噴墨成型，其特點在于在打印過程中不改變材料物理狀態(tài)，但由于每種材料物理差異性較大，3D打印機通常需要定制化，因此該種技術(shù)在4D打印領(lǐng)域并未獲得廣泛應(yīng)用。燒結(jié)與固化成型技術(shù)包括粉末燒結(jié)固化和紫外線光固化，其打印特點在于依靠粉末狀或液態(tài)材料自身的支撐作用，可制造懸空、層疊等復(fù)雜的立體造型。但該技術(shù)打印成本相對較高，因此在4D打印領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1.4 刺激條件

刺激條件是驅(qū)動4D打印物體發(fā)生形變的觸發(fā)器，需針對材料進行選擇。常見的刺激條件包括熱刺激、水刺激、光刺激、電刺激、磁刺激等[16,17]。

熱刺激4D打印技術(shù)主要基于熱敏型聚合物作為打印材料。形狀記憶功能源于分子鏈組成單元的玻璃化轉(zhuǎn)變或熔融轉(zhuǎn)變和馬氏體正逆相變[18]。熱刺激4D打印技術(shù)的驅(qū)動過程如下：首先3D打印出具有初始形狀的組件，當組件溫度高于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，將組件從初始形狀調(diào)整為臨時形狀，保持臨時形狀并將其冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，以使臨時形狀穩(wěn)定；當再次加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時，組件可恢復(fù)為初始形狀，實現(xiàn)形狀記憶功能[19]。在實際應(yīng)用中，還可以使用具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的材料控制部件的局部變形。

水刺激4D打印的材料通常以親水性材料作為基質(zhì)，其與水分子結(jié)合時體積發(fā)生變化，進而產(chǎn)生形變。例如MAO等[20]通過PolyJet成型技術(shù)使用SMP等親水性聚合物材料進行4D打印，制作了巴基球，這種材料遇到水時會形成水凝膠，導(dǎo)致體積急劇增加；WANG等[21]利用纖維素與水分子結(jié)合時會膨脹的特質(zhì)，設(shè)計了自變形食物。由于水環(huán)境往往屬于全局刺激，因此，實現(xiàn)水刺激4D打印需要考慮的主要問題是制備具有水環(huán)境中溶脹各向異性的打印材料，使變形的方向得到準確控制[22]。水刺激4D打印技術(shù)往往可以實現(xiàn)很大程度的變形，且打印材料相對容易制造，不需要復(fù)雜的打印設(shè)備，因此在醫(yī)療康復(fù)、水下設(shè)備等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用價值。

光刺激4D打印的材料通常是由光敏型形狀記憶聚合物構(gòu)成，可通過吸收光波能量轉(zhuǎn)化為熱量，進而引發(fā)形狀記憶效應(yīng)[23]。與熱刺激4D打印技術(shù)相比，光刺激由于便于能量聚焦具有更高的靈活性和區(qū)域性，可有選擇地對局部或整體實施光照產(chǎn)生驅(qū)動。此外，光刺激4D打印技術(shù)更便于實現(xiàn)遠程控制，多用于二維記憶材料的自動展開和折疊動作設(shè)計。

電刺激4D打印可分為直接電刺激和電熱刺激。直接電刺激利用材料的逆壓電效應(yīng)，也稱電致伸縮效應(yīng)[24]。當材料被施加電場時，晶體被激發(fā)產(chǎn)生振動，從而使材料產(chǎn)生機械變形，去除電場后，材料恢復(fù)原狀；電熱刺激要素是利用電流的電阻發(fā)熱效應(yīng)使材料產(chǎn)生變形，其本質(zhì)仍為熱刺激要素。電刺激的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)4D打印的內(nèi)部控制，將電熱材料嵌入到熱敏材料內(nèi)部，可實現(xiàn)材料內(nèi)部的局部變形控制。此外，此類刺激方式可排除環(huán)境溫度的影響，比如可以實現(xiàn)在寒冷等特殊工作環(huán)境下的行為控制[25]。

磁刺激4D打印通過在聚合物中區(qū)域性地添加磁性顆粒，利用外部磁場實現(xiàn)變形控制。由于磁力的非接觸特性，磁刺激的4D打印技術(shù)對環(huán)境的依賴性小，可以實現(xiàn)“遠程控制”[26]。已有研究表明，由于磁場可以實現(xiàn)快速變化，因此磁刺激的變形界面組件通常具有更快的響應(yīng)速度。磁刺激要素同樣可分為直接響應(yīng)和間接響應(yīng)兩種實現(xiàn)方式。直接響應(yīng)是使用混合有磁性顆粒的基質(zhì)3D打印成初始形狀，當其置于磁場中時，基體中的磁性顆粒的磁場會對施加的磁場做出響應(yīng)，從而實現(xiàn)變形[27]。眾所周知，磁性本身就具有良好的記憶功能，尤其是具有較大的矯頑力和飽和磁化強度的永磁材料[28]，可使4D打印產(chǎn)品具有更長的使用壽命和更大的變形響應(yīng)，而且磁性材料大多具有較高的各向異性，有利于控制4D打印變形的方向；間接響應(yīng)法是基于磁性顆粒在磁場中的磁熱效應(yīng)，當磁性顆粒被施加交變磁場時，由于磁疇的運動會產(chǎn)生熱量，進而驅(qū)動元件，該方法的本質(zhì)屬于熱刺激要素。

1.5 變形行為

變形行為是4D打印最重要的實體化與可視化呈現(xiàn)過程，從空間維度來看，可將變形行為分為從一維（1D）到一維（1D）、從一維（1D）到二維（2D）、從一維（1D）到三維（3D）、從二維（2D）到偽三維（2.5D）、從二維（2D）到三維（3D）、從三維（3D）到三維（3D）。

1D到1D是指通過一維材料的各向異性實現(xiàn)材料在單一維度上的伸長或縮短形變，此維度作為基礎(chǔ)維度，可通過體積疊加設(shè)計擴展到二維與三維空間上的變化；1D到2D是指在一維材料垂直的平面內(nèi)施加刺激，使其發(fā)生單一平面內(nèi)的彎曲變形，若一維材料多點連續(xù)彎曲可進一步得到平面內(nèi)的卷曲；1D到3D是指在一維材料多方向施加刺激，使其發(fā)生多維空間上的彎曲變形，從而實現(xiàn)從線到體的變形，如螺旋彈簧結(jié)構(gòu)；2D到2.5D是指在平面材料垂直方向上施加刺激，使其發(fā)生凸起于平面空間上的變形；2D到3D是指在平面材料多方向施加刺激，使其發(fā)生多維空間上的變形，如自彎曲、自扭曲等；3D到3D是指立體材料在立體空間上施加刺激，使其發(fā)生多維空間上的變形。

二、4 D打印變形設(shè)計策略

由于4D打印技術(shù)涉及材料、結(jié)構(gòu)、打印技術(shù)、刺激條件、變形行為等諸多要素，開展4D打印變形設(shè)計存在著諸多不確定性。因此，本文對4D打印的概念和原理進行了梳理，從材料可變形屬性、結(jié)構(gòu)設(shè)計、刺激方法設(shè)計、變形設(shè)計等角度提出4D打印變形設(shè)計策略（見圖3），為應(yīng)用4D打印技術(shù)提供參考。

圖3 基于4D打印技術(shù)的變形設(shè)計策略

2.1 材料的選擇與研究

材料作為物質(zhì)基礎(chǔ)，決定了4D打印變形的目標和最終應(yīng)用空間，選擇合適的材料開展4D打印變形設(shè)計研究是決定其應(yīng)用方向的關(guān)鍵。因此，材料選擇與材料研究可通過以下方式來提高實驗與研究效率：（1）評估材料的可操作性，包括實驗成本、實驗器械、材料安全性等內(nèi)容；（2）針對已知形變原理的材料，學習材料知識，對已知形變屬性進行實驗復(fù)現(xiàn)，進一步規(guī)劃形變控制實驗技術(shù)路線；針對未知形變原理的材料，利用已知原理進行試錯探索，基于實驗結(jié)果進一步規(guī)劃形變方式與方法實驗；（3）材料形變的控制技術(shù)是設(shè)計研究的重要手段，通過試錯與體驗實驗獲得材料的控制技術(shù)。通常，材料的變形屬性都具有單一的刺激源和較為明確的變形方式，例如FDM式3D打印熱塑材料出現(xiàn)遇熱收縮屬性，面粉狀材料遇水出現(xiàn)吸濕膨脹屬性，液晶彈性體材料遇光出現(xiàn)彎曲效應(yīng)等。

2.2 可編程結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計是一種材料嵌入式的變形控制手段，成為連接變形設(shè)計與3D打印制造的關(guān)鍵橋梁，也是實現(xiàn)材料的可編程設(shè)計的重要途徑。受限于材料的變形屬性和構(gòu)成原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計需在材料的可變形范圍內(nèi)，并按照一定的規(guī)則進行。

從微觀材料的構(gòu)成方式來看，結(jié)構(gòu)設(shè)計可以從復(fù)合構(gòu)成式和內(nèi)部嵌入式進行設(shè)計。

（1）復(fù)合構(gòu)成：復(fù)合構(gòu)成是指將不同材料或具有不同屬性的同一材料進行疊加制造的方式，其特征是復(fù)合邊界一般為面。利用復(fù)合層級之間不同屬性的差異性，形成變形原動力。這種方式一般實現(xiàn)條件較為簡單，但變形方式常受限于可展開曲面。

（2）內(nèi)部嵌入：內(nèi)部嵌入是指可像素化制造的材料，可以點狀或梯度分布進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。其優(yōu)勢在于其結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由度更高，可以實現(xiàn)高幾何復(fù)雜度的變形行為，但一般實現(xiàn)門檻較高，常用于生物微觀材料的設(shè)計中。

從宏觀物體的構(gòu)成方式來看，結(jié)構(gòu)設(shè)計可以從表面肌理和骨骼網(wǎng)架進行設(shè)計。

（1）表面肌理：表面肌理是指通過結(jié)構(gòu)設(shè)計改變物體表面的制造和成型方式，常用于制造一般3D打印技術(shù)難以實現(xiàn)的呈現(xiàn)或觸覺效果。

（2）骨骼網(wǎng)架：骨骼網(wǎng)架一般用于可變形物體中的變形限制手段，骨架一般較為厚重，具備不可變形特征，骨架的形狀、位置設(shè)計影響變形行為或變形程度。

2.3 觸發(fā)控制設(shè)計

4D打印技術(shù)的控制要素可從拓撲學的角度分為外部控制與內(nèi)部控制。

（1）外部控制：外部控制是指控制3D打印件的外部環(huán)境使材料產(chǎn)生變形行為的控制方式。外部控制方法適用于大多數(shù)驅(qū)動方式，既可以是全局作用，亦可以局部施加。外部控制方法在實施中較為便捷，均勻度也更具有優(yōu)勢，例如在熱刺激水浴變形中，水的浮力也減少了重力對變形的影響作用。此外，開發(fā)手持式、便攜式的觸發(fā)裝置，便于靈活調(diào)節(jié)刺激的位置。不過外部控制在極端工作環(huán)境（極熱、極冷）下具有一定的局限性。

（2）內(nèi)部控制：內(nèi)部控制是指通過控制材料內(nèi)部環(huán)境的局部變化使材料產(chǎn)生變形。一般可用于內(nèi)部控制的刺激手段有：熱刺激、磁刺激、電刺激等。內(nèi)部控制需要將觸發(fā)設(shè)備嵌于材料內(nèi)部，在材料內(nèi)部產(chǎn)生刺激。例如3D打印時在構(gòu)件內(nèi)部布設(shè)電線；將磁性顆粒混合入打印材料中，通過微波設(shè)備升高內(nèi)部溫度等。內(nèi)部控制的4D打印有利于變形均勻度或造型對稱性需求較高的設(shè)計。但內(nèi)部控制對4D打印觸發(fā)設(shè)備的要求較高，且一般不太靈活，成型后不利于對變形參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

在4D打印變形設(shè)計策略中，4D打印物件的目標形態(tài)決定控制維度的選擇。主要的控制維度可分為全局控制和局部控制，其中局部控制可獲得循序變形效果，此處作為循序控制進行討論。

（1）全局控制：全局控制較為簡單且容易操作，無論是3D打印構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布，還是外界刺激驅(qū)動的設(shè)計都可以在全局維度下設(shè)計。但是4D打印的變形功能也會受到一定的限制，變形方式大多為簡單的膨脹和收縮。影響全局維度下4D打印的變形效果主要由材料的固有屬性、打印機性能以及外界刺激條件（熱場、電場、磁場等）的均勻度決定。

（2）局部控制：局部控制可分為全局驅(qū)動下的局部應(yīng)力控制和全局應(yīng)力下的局部驅(qū)動控制，當然也可以在局部應(yīng)力設(shè)計的同時實施局部刺激。局部維度的控制使4D打印變形過程更精準，但在設(shè)計過程中需要針對打印組件的內(nèi)部應(yīng)力與位置的關(guān)系進行編輯，或?qū)Νh(huán)境刺激的位置進行校準。局部控制實現(xiàn)的是4D打印組件的局部變形，往往需要更嚴謹?shù)脑O(shè)計。

（3）循序控制：4D打印變形設(shè)計策略中的控制并不一定是同時進行的，也可以根據(jù)目標形狀設(shè)計成分布刺激、分步變形，稱之為循序控制。循序控制有利于避免材料在變形過程中自我干擾，比如不同部位的重疊和相撞，同時也更有利于對4D打印變形軌跡的控制。尤其對于內(nèi)部控制方式，循序控制會使組件的變形更靈活，循序控制中外界刺激步驟既可以是連續(xù)的也可以是步進的，給4D打印變形設(shè)計帶來了更大的設(shè)計空間。

2.4 變形行為設(shè)計

4D打印變形行為從幾何學角度分為可展開曲面變形和非可展開曲面變形，從變形狀態(tài)角度可分為可逆變形和不可逆變形。因不可逆變形僅考慮變形的幾何學結(jié)果，這里就只針對可展開曲面、非可展開曲面和可逆變形進行詳細論述。

2.4.1 可展開曲面變形 可展開（Developable）曲面變形是指變形曲面每一點處高斯曲率近似為零，能夠經(jīng)彎曲而展開成一片平面，例如，彎曲即是可展開曲面變形的代表。目前在4D打印結(jié)構(gòu)上，常利用復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)（驅(qū)動層與限制層）的應(yīng)變差來造成彎曲。驅(qū)動層的變形率往往會比限制層高，結(jié)構(gòu)的彎曲程度由驅(qū)動層與限制層共同控制。驅(qū)動彎曲變形的機制有兩種：一種是由驅(qū)動層收縮造成的彎曲，這種收縮通常是由形狀記憶材料殘余應(yīng)力的釋放造成的；另一種則是由活性材料膨脹而造成的彎曲。圖4a展示了基于不同材料的可展開曲面變形案例[14,15,29]。

2.4.2 非可展開曲面變形 非可展開（Non-developable）曲面變形是指變形曲面無法經(jīng)彎曲展開成一片平面，通常依靠材料自身的拉伸變形得以實現(xiàn)，例如球體、馬鞍形、扭曲等。扭曲結(jié)構(gòu)通常是利用具有各向異性的纖維或結(jié)構(gòu)形成[30]。4D打印制作非可展開曲面變形結(jié)構(gòu)的方法主要有兩種（見圖4b[31-33]）：一種是由單層表面內(nèi)應(yīng)力引起的差異，本質(zhì)僅僅由材料的拉伸變形造成[31,32]；另一種是基于多個可展開曲面結(jié)構(gòu)的組合，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的相互影響與制約，從而獲得非可展曲面[33]。

2.4.3 可逆變形 可逆變形是指當材料具有形狀記憶屬性時，在一定的條件下可以在多種狀態(tài)下相互轉(zhuǎn)換的能力。例如，4D打印熱塑材料通常不具備可逆性，但在熱塑材料與紙張結(jié)合的設(shè)計中，熱塑材料的形狀記憶屬性受到紙張的限制，使其具備了可重復(fù)彎曲和展開的變形行為（見圖4c[34]）。

圖4 變形行為設(shè)計案例

三、4 D打印變形設(shè)計的未來方向

從4D打印變形設(shè)計的現(xiàn)狀及其相關(guān)研究中可以看出，當前該領(lǐng)域主要存在以下挑戰(zhàn)：（1）材料研究中原理未知挑戰(zhàn)；（2）技術(shù)研發(fā)中知識協(xié)同挑戰(zhàn)；（3）軟件開發(fā)中設(shè)計精度挑戰(zhàn)；（4）硬件制造中打印精度挑戰(zhàn)；（5）應(yīng)用轉(zhuǎn)化中功能效用挑戰(zhàn)；（6）應(yīng)用轉(zhuǎn)化中人機交互挑戰(zhàn)，圖5展示了相關(guān)研究內(nèi)容。

圖5 4D打印變形設(shè)計主要挑戰(zhàn)與未來研究內(nèi)容

3.1 材料變形理論與知識

基于材料屬性的變形設(shè)計研究內(nèi)容是多維度的，包含了材料科學、機械工程、設(shè)計學等跨學科內(nèi)容，因此，這一領(lǐng)域的設(shè)計研究者需要具備一定的材料基礎(chǔ)知識和跨學科的協(xié)同創(chuàng)新能力。而材料研究是4D打印變形設(shè)計的基礎(chǔ)，也是為變形設(shè)計提供顛覆性創(chuàng)新的源泉，因此，探索和研究材料的基本變形理論是解決關(guān)鍵科學問題，提升研究成效的前提條件。

3.2 材料體驗與實驗方法

材料研究也吸引了越來越多的設(shè)計師參與其中，材料體驗（Materials Experience）設(shè)計方法也被廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，融入到產(chǎn)品生產(chǎn)與制造過程中，更容易引起設(shè)計師、制造者、使用者對于材料使用、生產(chǎn)制造流程、資源回收、使用感受等方面的思考。因此，亟需適用于不同產(chǎn)品領(lǐng)域、不同交互方式、不同使用目的的材料體驗與實驗方法，幫助材料設(shè)計師、產(chǎn)品設(shè)計師、交互設(shè)計師融入到以材料為驅(qū)動的設(shè)計研究中。

3.3 參數(shù)化設(shè)計與仿真工具

設(shè)計與仿真工具是實現(xiàn)數(shù)字信息與物理信息結(jié)合的重要手段。具體需要解決的問題有：一是變形過程中的動態(tài)計算與仿真問題，使該技術(shù)具有可預(yù)測、可設(shè)計的能力；二是打印過程中路徑的分層計算問題，提高3D打印的精準度和可定制能力。

3.4 定制化3D打印工具

3D打印技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計的重要實現(xiàn)手段，而4D打印變形技術(shù)所涉及到的材料和制造方法各不相同，需要針對特定的材料屬性定制化3D打印工具，以快速、高效地實現(xiàn)變形組件的生產(chǎn)與制造。

3.5 典型產(chǎn)品變形設(shè)計

目前，日常場景中的變形設(shè)計還比較有限，大多是以機械結(jié)構(gòu)變形為主，材料自變形的優(yōu)勢還未能凸顯。因此，典型產(chǎn)品設(shè)計案例將能有效地發(fā)揮材料自適應(yīng)變形優(yōu)勢。例如，在身體機能康復(fù)中，患者通常需要借助輔助工具恢復(fù)基本的肌肉功能和協(xié)調(diào)能力，現(xiàn)有的康復(fù)器具大多需要根據(jù)患者的恢復(fù)水平并通過醫(yī)生的經(jīng)驗進行手動調(diào)整形態(tài)。本研究階段的目標是將自變形功能與各種現(xiàn)成的物理治療工具相結(jié)合，以在整個康復(fù)過程中為用戶提供個性化和適應(yīng)性的支持。

3.6 典型場景變形交互設(shè)計

變形設(shè)計在人機交互系統(tǒng)中也具有重要的應(yīng)用價值。例如，在幼兒語言學習過程中，常常利用實體道具配合視頻課程進行教學，雖然道具具備一定的吸引力，但長時間的學習還是很難獲得高效的效果。如果借助可變形物理媒介并引入交互設(shè)計要素，將有效提升兒童的專注力并促進信息的高效傳達，獲得良好的學習效果。

四、結(jié) 語

目前，4D打印技術(shù)仍處于初期研究階段，距離商品化普及和工業(yè)應(yīng)用還有較大距離。但4D打印作為一項新興的可變形增材制造技術(shù)，有望成為一種綠色、高效、個性化的生產(chǎn)制造方式，在智能產(chǎn)品、人機交互、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力與價值。