文|創(chuàng)瞰巴黎 Giancarlo Rizza
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀：
3D打印方興未艾，4D打印已撲面而來(lái)。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3D打印、智能材料、可編程物質(zhì)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。那么什么是4D打??？如何實(shí)現(xiàn)4D打?。?D打印在哪些領(lǐng)域有所應(yīng)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(dòng)態(tài)”的、可對(duì)外界刺激做出反應(yīng)的物體。
- “4D打印”這一名詞，以及利用該技術(shù)制造可編程物質(zhì)的理念，由麻省理工大學(xué)自組裝實(shí)驗(yàn)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(kāi)辟設(shè)計(jì)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(shè)備。
- 繼增材制造之后，4D打印必然會(huì)引發(fā)新一輪變革，徹底改變工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方式。
35年前問(wèn)世的3D打印技術(shù)，在傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型中扮演了重要角色，催生了市值約300億歐元、年增長(zhǎng)率高達(dá)20%的市場(chǎng)。然而，當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)走向成熟，有朝一日必會(huì)被新技術(shù)所替代。3D打印技術(shù)的繼任者，就是具有突破意義的4D打印，其中第四個(gè)維度代表著時(shí)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(dòng)態(tài)”的、可對(duì)外界刺激做出反應(yīng)的物體。利用該技術(shù)，設(shè)計(jì)者能對(duì)物體進(jìn)行“編程”，讓其具備智能生物般的自主性。無(wú)論是科研還是實(shí)際應(yīng)用，4D打印都蘊(yùn)含無(wú)限機(jī)遇和潛力。
第四個(gè)維度：時(shí)間
事實(shí)上，可編程物質(zhì)的概念最初是在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域而非材料領(lǐng)域提出的。1991年，麻省理工的兩名學(xué)者Toffoli 和 Margolus首次使用“可編程物質(zhì)”一詞，描述在固定空間中排序、只能與一級(jí)鄰居交換信息的一組計(jì)算節(jié)點(diǎn) [1]。
新理念逐漸滲透進(jìn)了其他學(xué)科。2005年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“打造可編程物質(zhì)”的長(zhǎng)期項(xiàng)目，聚焦模塊化機(jī)器人、集成編程、納米材料 [2]，讓可編程物質(zhì)的發(fā)展軌跡與智能材料實(shí)現(xiàn)了相逢。智能材料，指可通過(guò)物理刺激（電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光照、溫度、震動(dòng)）、化學(xué)刺激（pH值、光化學(xué)反應(yīng)）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(xué)自組裝實(shí)驗(yàn)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(shù)命名為“4D打印”。3D打印、可編程物質(zhì)、智能材料三個(gè)領(lǐng)域的碰撞交融，拉開(kāi)了4D打印革命的序幕 [3]。
4D打印，一門復(fù)雜的學(xué)科
智能材料是4D技術(shù)的核心。但由于相關(guān)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(jī)遇挑戰(zhàn)并存。當(dāng)前的一個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域就是探索陶瓷、金屬乃至生物物質(zhì)、復(fù)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(shù)的進(jìn)步還需要設(shè)計(jì)理念的同步發(fā)展。設(shè)計(jì)者必須能合理結(jié)合多種材料、工藝和功能，設(shè)計(jì)出具有預(yù)期功能的物體。同時(shí)，還需要以“設(shè)計(jì)-建模-模擬”三個(gè)基本步驟為基礎(chǔ)，形成新的設(shè)計(jì)方法論，確保打印出的物體能以正確的方式響應(yīng)外部刺激。
在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，比特是編程的基本單位，而在4D打印中，對(duì)應(yīng)的單位則是“體素”（voxel）。體素，指存儲(chǔ)活性物質(zhì)物理、化學(xué)、生物信息的基本體積單元。設(shè)計(jì)出擁有特定功能的4D打印成品，需要通過(guò)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(yīng)。在這一復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程中，期望實(shí)現(xiàn)的物體行為應(yīng)視為輸入變量，物體的實(shí)際行為（體素的空間分布）應(yīng)視為輸出變量，而且設(shè)計(jì)者應(yīng)具有根據(jù)實(shí)際問(wèn)題“隨機(jī)應(yīng)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(zhì)性物體。但前提是開(kāi)發(fā)出可兼容多種原料的4D打印機(jī)，以及相應(yīng)的打印機(jī)控制程序，使設(shè)備適應(yīng)原料的特質(zhì)，制造出具有正確刺激響應(yīng)性的物體。
4D打印的實(shí)際應(yīng)用有哪些？
4D打印能塑造形態(tài)復(fù)雜、功能多變的物體，有望開(kāi)辟設(shè)計(jì)的新世界，帶來(lái)制造業(yè)的重大變革。如果打印出的物體能在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間和地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自我組裝，無(wú)需人類參與，那么必然會(huì)催生出一系列全新的技術(shù)。如果物體既有感知力，又有行動(dòng)力，就意味著能自主適應(yīng)環(huán)境。如果物體能自我檢查并修復(fù)生產(chǎn)、使用中發(fā)生的損壞，則能減少對(duì)設(shè)備進(jìn)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(dòng)組合為截角八面體，圖源MIT自組裝實(shí)驗(yàn)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(yīng)用還有很多。在柔性機(jī)器人領(lǐng)域，4D打印助推了小型機(jī)器人的研發(fā)，使其朝著毫米級(jí)、微米級(jí)、甚至納米級(jí)前進(jìn)。這種機(jī)器人可在高危、狹小環(huán)境中完成任務(wù)，比如可以進(jìn)入人體遞送藥物或?qū)嵤┪⑷肭质绞中g(shù)。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，有學(xué)者在研究如何利用4D打印技術(shù)制造支架、器官和智能組織。4D打印還能促進(jìn)柔性嵌入型電子設(shè)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(lǐng)域，有學(xué)者在研究如何用4D打印技術(shù)將微型構(gòu)架結(jié)合進(jìn)柔性襯板中，提升太陽(yáng)能板的發(fā)電效率。在消費(fèi)者應(yīng)用方面，可以想象4D打印用于設(shè)計(jì)未來(lái)的時(shí)尚服裝，制造具有自適應(yīng)特質(zhì)的仿生布料或智能自折疊鞋。在建筑領(lǐng)域，4D打印能助推新型可持續(xù)設(shè)計(jì)理念。Hygroskin氣候響應(yīng)式建筑項(xiàng)目就是一個(gè)很好的例子，其建材充分發(fā)揮了木材吸濕性特質(zhì)，讓墻體上的模塊能根據(jù)空氣濕度自動(dòng)展開(kāi)或閉合，不需要人類操作或額外能量輸入。最后，在藝術(shù)和更廣義的科學(xué)領(lǐng)域，4D打印可用于多種類型的創(chuàng)作和研究，探索物質(zhì)行為的本質(zhì)，以及生命與人造物體之間的關(guān)系。
注：
a) 巧妙借助木質(zhì)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(kāi)或閉合，圖源美國(guó)材料研究學(xué)會(huì) [7]
b) 4D打印制造的太空鎧甲，可保護(hù)宇航員不受隕石碎片撞擊，圖源美國(guó)航空航天局 [8]
c) 活性材料在科研和藝術(shù)創(chuàng)作中的實(shí)際應(yīng)用，圖源法國(guó)國(guó)立高等裝飾藝術(shù)學(xué)院Carasso 基金會(huì) [9]
4D打印的未來(lái)
法國(guó)哲學(xué)家伯納德·德·沙特爾曾說(shuō)：“我們是坐在巨人肩膀上的侏儒?！崩^增材制造之后，4D打印必然會(huì)引發(fā)新一輪變革，徹底改變工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方式。與3D打印相比，4D打印的市場(chǎng)規(guī)模尚小，前者高達(dá)300億歐元/年，后者只有3000-5000萬(wàn)歐元/年。這并不足為奇，畢竟新技術(shù)仍在起步期，但其顛覆行業(yè)的潛力已充分顯現(xiàn)。未來(lái)，4D打印技術(shù)需要與可行的商業(yè)模式結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒂谐杀靖?jìng)爭(zhēng)力的量產(chǎn)，還要有明確的發(fā)展路線圖，并激發(fā)消費(fèi)者的購(gòu)買欲望，獲得投資人和實(shí)業(yè)家的支持，才有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，走向市場(chǎng)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