文|創(chuàng)瞰巴黎 Giancarlo Rizza
編輯|Meister Xia
導讀：
3D打印方興未艾，4D打印已撲面而來。隨著人類社會闊步向智能化時代邁進，4D打印技術恰逢其時，它與3D打印、智能材料、可編程物質相互促進、共同發(fā)展，已經(jīng)在眾多領域顯示出良好的應用發(fā)展前景。那么什么是4D打??？如何實現(xiàn)4D打?。?D打印在哪些領域有所應用？本期為“新興材料”系列一，帶您了解為何4D打印更“智能”。
一覽：
- 4D打印可以理解為賦予物體額外功能的3D打印，能制造“動態(tài)”的、可對外界刺激做出反應的物體。
- “4D打印”這一名詞，以及利用該技術制造可編程物質的理念，由麻省理工大學自組裝實驗室創(chuàng)始人Skylar Tibbits在一次TedX演講中首次提出。
- 利用4D打印，創(chuàng)造可“自我組裝”的智能材料，必將開辟設計的新世界。
- 4D打印還能用于制造假肢、或者生產(chǎn)發(fā)電效率更高的光伏設備。
- 繼增材制造之后，4D打印必然會引發(fā)新一輪變革，徹底改變工業(yè)產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)方式。
35年前問世的3D打印技術，在傳統(tǒng)制造業(yè)轉型中扮演了重要角色，催生了市值約300億歐元、年增長率高達20%的市場。然而，當一項技術走向成熟，有朝一日必會被新技術所替代。3D打印技術的繼任者，就是具有突破意義的4D打印，其中第四個維度代表著時間。
4D打印可以理解為賦予物體額外功能的3D打印，能制造“動態(tài)”的、可對外界刺激做出反應的物體。利用該技術，設計者能對物體進行“編程”，讓其具備智能生物般的自主性。無論是科研還是實際應用，4D打印都蘊含無限機遇和潛力。
第四個維度：時間
事實上，可編程物質的概念最初是在計算機領域而非材料領域提出的。1991年，麻省理工的兩名學者Toffoli 和 Margolus首次使用“可編程物質”一詞，描述在固定空間中排序、只能與一級鄰居交換信息的一組計算節(jié)點 [1]。
新理念逐漸滲透進了其他學科。2005年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動了一項名為“打造可編程物質”的長期項目，聚焦模塊化機器人、集成編程、納米材料 [2]，讓可編程物質的發(fā)展軌跡與智能材料實現(xiàn)了相逢。智能材料，指可通過物理刺激（電場、磁場、光照、溫度、震動）、化學刺激（pH值、光化學反應）或生物刺激（葡萄糖、酶、生物活性分子）激活或誘發(fā)改變的材料。
最終，在2013年，麻省理工大學自組裝實驗室創(chuàng)始人Skylar Tibbits在一次TedX演講中，提出以智能材料為3D打印原料生產(chǎn)可編程物體，并將這一技術命名為“4D打印”。3D打印、可編程物質、智能材料三個領域的碰撞交融，拉開了4D打印革命的序幕 [3]。
4D打印，一門復雜的學科
智能材料是4D技術的核心。但由于相關研究仍處于早期階段，現(xiàn)可投入使用的成熟材料尚少，主要以多聚物為主，故機遇挑戰(zhàn)并存。當前的一個重點研究領域就是探索陶瓷、金屬乃至生物物質、復合材料作為打印原料的可能性
除了合適的材料，4D打印技術的進步還需要設計理念的同步發(fā)展。設計者必須能合理結合多種材料、工藝和功能，設計出具有預期功能的物體。同時，還需要以“設計-建模-模擬”三個基本步驟為基礎，形成新的設計方法論，確保打印出的物體能以正確的方式響應外部刺激。
在計算機科學中，比特是編程的基本單位，而在4D打印中，對應的單位則是“體素”（voxel）。體素，指存儲活性物質物理、化學、生物信息的基本體積單元。設計出擁有特定功能的4D打印成品，需要通過前期建模、模擬體素的最佳空間分布，保證最終的成品能在刺激下做出特定的反應。在這一復雜的設計過程中，期望實現(xiàn)的物體行為應視為輸入變量，物體的實際行為（體素的空間分布）應視為輸出變量，而且設計者應具有根據(jù)實際問題“隨機應變”的思維。
4D打印可制造數(shù)種活性材料與剛性材料相互交融的異質性物體。但前提是開發(fā)出可兼容多種原料的4D打印機，以及相應的打印機控制程序，使設備適應原料的特質，制造出具有正確刺激響應性的物體。
4D打印的實際應用有哪些？
4D打印能塑造形態(tài)復雜、功能多變的物體，有望開辟設計的新世界，帶來制造業(yè)的重大變革。如果打印出的物體能在預先設定的時間和地點實現(xiàn)自我組裝，無需人類參與，那么必然會催生出一系列全新的技術。如果物體既有感知力，又有行動力，就意味著能自主適應環(huán)境。如果物體能自我檢查并修復生產(chǎn)、使用中發(fā)生的損壞，則能減少對設備進行侵入性修理工作的需要。
注：
a) 在液體媒介中用4D打印出的物體，可在液體蒸發(fā)后自動組合為截角八面體，圖源MIT自組裝實驗室[4]
b) 利用4D打印生成的微液滴，編制人造仿生布料，圖源Science期刊[5]
c) 利用形狀記憶高分子材料和4D打印制作的“溫度敏感埃菲爾塔”模型，圖源Scientific Reports 期刊[6]
具體的應用還有很多。在柔性機器人領域，4D打印助推了小型機器人的研發(fā)，使其朝著毫米級、微米級、甚至納米級前進。這種機器人可在高危、狹小環(huán)境中完成任務，比如可以進入人體遞送藥物或實施微入侵式手術。在生物醫(yī)藥領域，有學者在研究如何利用4D打印技術制造支架、器官和智能組織。4D打印還能促進柔性嵌入型電子設備的發(fā)展，以及智慧城市所需的智能傳感器的研發(fā)。
在能源領域，有學者在研究如何用4D打印技術將微型構架結合進柔性襯板中，提升太陽能板的發(fā)電效率。在消費者應用方面，可以想象4D打印用于設計未來的時尚服裝，制造具有自適應特質的仿生布料或智能自折疊鞋。在建筑領域，4D打印能助推新型可持續(xù)設計理念。Hygroskin氣候響應式建筑項目就是一個很好的例子，其建材充分發(fā)揮了木材吸濕性特質，讓墻體上的模塊能根據(jù)空氣濕度自動展開或閉合，不需要人類操作或額外能量輸入。最后，在藝術和更廣義的科學領域，4D打印可用于多種類型的創(chuàng)作和研究，探索物質行為的本質，以及生命與人造物體之間的關系。
注：
a) 巧妙借助木質材料的天然吸濕性，可使建筑元素根據(jù)環(huán)境變化自主展開或閉合，圖源美國材料研究學會 [7]
b) 4D打印制造的太空鎧甲，可保護宇航員不受隕石碎片撞擊，圖源美國航空航天局 [8]
c) 活性材料在科研和藝術創(chuàng)作中的實際應用，圖源法國國立高等裝飾藝術學院Carasso 基金會 [9]
4D打印的未來
法國哲學家伯納德·德·沙特爾曾說：“我們是坐在巨人肩膀上的侏儒。”繼增材制造之后，4D打印必然會引發(fā)新一輪變革，徹底改變工業(yè)產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)方式。與3D打印相比，4D打印的市場規(guī)模尚小，前者高達300億歐元/年，后者只有3000-5000萬歐元/年。這并不足為奇，畢竟新技術仍在起步期，但其顛覆行業(yè)的潛力已充分顯現(xiàn)。未來，4D打印技術需要與可行的商業(yè)模式結合，并實現(xiàn)規(guī)?；?、有成本競爭力的量產(chǎn)，還要有明確的發(fā)展路線圖，并激發(fā)消費者的購買欲望，獲得投資人和實業(yè)家的支持，才有希望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，走向市場成熟。
由Giancarlo Rizza采訪
參考資料：
1.T. Toffoli and N. Margolus, Programmable matter: concepts end realisation, Physica D 47 (1991) 263–272
2.https://cognitivemedium.com/assets/matter/DARPA2006.pdf
3.Active Matter, Edited by Skylar Tibbits, The MIT Press (2017)
4.https://selfassemblylab.mit.edu/4d-printing
5.G. Villar et al, A Tissue-Like Printed Material, Science, 5 Apr 2013, Vol 340, Issue 6128, pp. 48–52
6.Q Ge et al, Multimaterial 4D printing with tailorable shape memory polymers, Scientific reports, 2016, 6(1): 1–11
7.Correa Zuluaga et al, 3D Printed Hygroscopic Programmable Material Systems, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 1800 2015 Materials Research Society
8.https://www.nasa.gov/feature/jpl/space-fabric-links-fashion-and-engineering
9.Antoine Desjardins and Giancarlo Rizza, The use of active matter in research-creation practices: Using an artistic vocabulary for 4D printing of magneto-active polymers deployed in experimental and observation devices. https://roboticart.org/icra2021