請想像一下，從宜家買回一把椅子的家具板材，將其放在房間裏它們會(huì)自動(dòng)組裝；一種汽車塗料可以改變自身的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)潮濕的環(huán)境或撒過鹽的道路，以便更好地保護(hù)汽車免受腐蝕；士兵的制服能轉(zhuǎn)變迷彩或更有效地預(yù)防與毒氣或彈片的接觸。
有人要問了：有那麼神奇嗎，不需要連接任何複雜的打印機(jī)，就能比照國產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)折疊成相應(yīng)的形狀？而科學(xué)家告訴我們在線，這就是悄然而至的4D打印技術(shù)。那麼，它與3D打印有何不同，又是如何做到神通廣大的呢？
究竟比3D打印“炫”在哪兒
3D打印方興未艾，4D打印已呼之欲出。
今年3月，在洛杉磯舉行的“技術(shù)、娛樂、設(shè)計(jì)”（TED）大會(huì)上，麻省理工學(xué)院的研究人員首次展示了新一代打印技術(shù)——4D打印，頓時(shí)“點(diǎn)亮”了衆(zhòng)人的目光。
談到4D打印過程，建築師和電腦科學(xué)家斯凱勒·蒂比茨解釋說：“我們在線提出將4D物體的第四維度定爲(wèi)時(shí)間，也就是說使得3D打印出的物體能夠隨著時(shí)間自動(dòng)變化和調(diào)適。剛性材料形成一個(gè)架構(gòu)，其他層則是彎曲和扭轉(zhuǎn)該架構(gòu)的力量來源。”
3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件爲(wèi)基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方法來構(gòu)造物體的技術(shù)。其仍然適合一般傳統(tǒng)意義上的造物過程，先模擬後制造，或者一邊建物一邊調(diào)整模擬結(jié)果。而通過硬件和軟件的緊密結(jié)合，4D打印技術(shù)顛覆了這種方法。
從事4D打印技術(shù)研究的工程軟件開發(fā)商歐特克（Autodesk）公司第一研究科學(xué)家卡羅·奧古恩說：“4D打印讓快速建模有了全然性的轉(zhuǎn)變。與3D打印的預(yù)先建模、掃描，然後使用物料成形不同，4D打印直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡化了從設(shè)計(jì)理念到實(shí)物的造物過程。讓物體如機(jī)器般自動(dòng)創(chuàng)造，無需連接任何複雜的機(jī)電設(shè)備。”
如此可見，4D打印比3D打印多的一個(gè)“D”表現(xiàn)在時(shí)間緯度上，這種革命性新技術(shù)可以通過軟件設(shè)定模型和時(shí)間，變形材料會(huì)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)快速成型。
可自變形材料是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵
顯然，4D打印更爲(wèi)智能，物料可自行“創(chuàng)造”，簡化了打印過程，但這對(duì)打印材料提出了更高要求，也是其得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，美國哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、斯旺森工程學(xué)院大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)的研究人員正在運(yùn)用其在納米和微觀層面操縱材料的專業(yè)知識(shí)，通過3D打印生産可以在宏觀層面隨著時(shí)間推移修改其結(jié)構(gòu)的材料。
該團(tuán)隊(duì)課題組長、斯旺森工程學(xué)院大學(xué)化學(xué)工程傳授安娜·C·巴拉茲解釋道：“我們在線建議根據(jù)外界的刺激，按需求開發(fā)可重新調(diào)整其形狀、性能或功能的自適應(yīng)、仿生複合材料，而不是構(gòu)建一個(gè)靜態(tài)或簡單地改變其形狀的材料。期望通過整合可打印出精確的、3D立體感及具有分層結(jié)構(gòu)的材料，並且合成刺激響應(yīng)組件及預(yù)測系統(tǒng)時(shí)序行爲(wèi)的能力，建立4D打印新領(lǐng)域的基礎(chǔ)。”
哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院生物啓發(fā)工程的傳授詹妮弗·A·劉易斯補(bǔ)充說：“目前的3D打印技術(shù)允許研究人員能夠在納米和微觀層建立複雜的功能，這種可改變其性能或多次塑造的能力，不只是建立在某個(gè)特定的、一次性使用的範(fàn)疇內(nèi)。複合材料可以在不同刺激下被重新配置，顯著延長3D打印的覆蓋範(fàn)圍。”
伊利諾伊大學(xué)合成材料科學(xué)與工程學(xué)院傳授拉爾夫·G·紐素說，由于該研究將在一個(gè)刺激性敏銳的水凝膠裏使用嵌入式的響應(yīng)填料，爲(wèi)生産下一代智能傳感器、塗料、紡織及結(jié)構(gòu)件開辟了新途徑。這種能力可以創(chuàng)建一種織物，通過改變其顔色響應(yīng)光線；變化透氣性對(duì)溫度作出反應(yīng)，甚至硬化其結(jié)構(gòu)來延展外力，將創(chuàng)建自適應(yīng)的、靈活的、輕盈且堅(jiān)固的響應(yīng)材料變爲(wèi)也許。正是這種複雜的功能決定了真正4D打印的遊戲規(guī)則。
4D打印技術(shù)的潛在應(yīng)用
在TED大會(huì)上展示的4D國產(chǎn)產(chǎn)品，是經(jīng)3D打印出的管子。將它放入水中，其會(huì)自動(dòng)組裝成一個(gè)立方體。原理是，該物體內(nèi)部的“智能”材料使用水作爲(wèi)能量來源，帶來形狀的改變。在構(gòu)造上，這款可以自動(dòng)組裝的4D物體由數(shù)層塑料制成，外加一層能夠在吸水時(shí)自動(dòng)變成一種理想形狀的“智能”材料。
談到4D打印的潛在應(yīng)用，蒂比斯吐露，麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室正在與波士頓一家名爲(wèi)Geosyntec的公司開展合作，開發(fā)創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施管路制造方案。他說：“這種新型地下水管，可以自由地膨脹或收縮，以此來控制過水的流量和流速，或者還可以像蛇那樣通過自身的蠕動(dòng)來擠壓，推動(dòng)內(nèi)部的水體流動(dòng)。水管能夠適應(yīng)不同的容量或水流而自動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)張，免去挖掘的麻煩。而具有這種不可思議功能的管路並不昂貴，也不需要那些複雜的閥門控制系統(tǒng)，這就是該管路自己所具備的性質(zhì)。”
研究人員指出，該技術(shù)的下一個(gè)發(fā)展階段包括打印4D片材，如果可行的話，還會(huì)包括完整的建築結(jié)構(gòu)，可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至建築行業(yè)。
4D打印目前並不成熟，但研究人員相信，4D打印不但能夠創(chuàng)造出有聰明、有適應(yīng)能力的新事物，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)終將帶來生物科學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)器人、交通運(yùn)輸、藝術(shù)甚至太空探索領(lǐng)域的革命性變化，未來它的發(fā)展前景將非常廣闊。對(duì)此，我們在線拭目以待。
