從理念到實踐 4D打印如魔術般引人矚目

導讀：真空中放置的平板，受外力刺激后會自動“變形”成沙發；地下管道可以隨著外部環境變化而擴大或縮小，以調整容量和流量，甚至還能在受損時自行維修或在報廢時分解……這些似乎只有在動畫片中才能見到的魔幻情景，借助4D打印技術將變為現實。

在2015國際消費類電子產品展覽會（CES）上，美國“神經系統”設計工作室推出了一款用4D技術打印出的運動學連衣裙。這款裙子有3212個“零件”，用4709個“接環”連接在一起，一經推出便引起人們對4D打印技術的關注。

4D打印作為最新的技術，發展現狀及前景到底如何呢？賽迪智庫研究顯示，受當前3D打印機、3D打印材料以及技術成熟程度等因素影響，4D打印目前還停留在研發和試驗階段，尚不具備大規模應用的可能。但我國相關研究機構同樣需要積極布局，并行跟進這項有著廣闊應用前景的技術。

4D打印產品驚艷亮相

真空中放置的平板，受外力刺激后會自動“變形”成沙發；地下管道可以隨著外部環境變化而擴大或縮小，以調整容量和流量，甚至還能在受損時自行維修或在報廢時分解……這些似乎只有在動畫片中才能見到的魔幻情景，借助4D打印技術將變為現實。

2013年年初，美國麻省理工學院自組裝實驗室主任斯凱拉·蒂比茨公開展示了4D打印的技術成果——將一根看似普通的材料部件（線條）放入水中，隨著時間的變化，線條在沒有任何外接設備參與的情況下，經過一系列的盤曲折疊，最終形成了一個正四面體。

蒂比茨解釋說，他是通過在材料部件中嵌入預設編碼程序，使之按照預先設定的結構和外觀模式自行組裝完成。

專家表示，與傳統的3D打印技術相比，4D打印技術在其基礎上引入了第四維，即指產品被制造后仍能在特定時間改變形狀和功能，實現自我組建，從而使產品具有“自組織”功能和動態演變能力。具體來說，4D打印是在3D打印過程中采用“自我變形”材料，在計算機輔助設計的導引下，經過層層堆積生成零部件的加工工藝，被打印物體可以隨著時間的推移而在形態上發生變化。

事實上，4D打印基本沿襲了3D打印的工藝原理，只是在所采用的打印材料上進行了創新，即在3D打印的概念中加入了時間元素，從而由過去的三維立體打印擴展為四維打印。

在對4D打印技術持樂觀態度的人士看來，這項技術將是一項“左右世界未來制造業發展”的革命性技術突破，有可能徹底顛覆傳統的制造業；而保守者則認為，4D打印還只停留在概念領域，目前看不出其工業價值。

應用前景廣闊

“雖然4D打印尚處于試驗階段，但作為一項顛覆性技術，它將創造出＂可被編程的世界＂，將對傳統制造業產生革命性影響。”“神經系統”設計工作室創意主管杰茜卡·羅森克蘭茨說，未來這項技術將具有廣闊的應用前景。

賽迪智庫研究顯示，4D打印可以利用可編程材料制造帶有傳感特點的復合材料，生產根據環境動態演變的產品。例如，把可以改變對電磁波反映特性的納米材料嵌入到打印對象中，當遇到不同的可見光，材料的顏色隨之改變，具有顯著的自我感應能力。

同時，4D打印技術還可制造出功能形式多變的模塊組件，通過組合可編程材料，改變產品的形狀和功能。未來，大型建筑物等也可呈現出生命特質，人們將能夠以可編程材料為基礎，通過編程使這些材料模塊自動堆疊形成各種形狀的建筑物，并具備嵌入式電力裝備、管道等配套設施。

業內認為，4D打印將引發未來制造行業的變革，使數字信息轉化為真實的產品成為可能。4D打印的制造者們只需下載產品設計程序，就可通過采集和編程制造出所需產品；4D打印所造成的工業排放幾乎可以忽略不計，在真正意義上實現綠色生產，從而開辟制造業可持續發展的新途徑，并改變傳統的制造業模式，

雖然應用廣闊，但4D打印存在的風險也不容忽視。例如，由于4D打印實物可以自由變化，可變形機翼可能被黑客攻擊而導致墜機；4D打印的建筑物可能由于一條錯誤指令而坍塌。再如，由于4D打印產品能夠自由轉化為其他形態，對知識產權保護提出了新的挑戰，如何確定知識產權邊界，怎樣追溯動態產品的風險承擔者等。未來，可能需要更加復雜的知識產權保護機制。

4D打印產業化尚需時日

雖然4D打印吸引各方關注，但業內人士普遍認為，受制于4D打印技術本身以及所用耗材，4D打印即使是在其技術源頭美國，目前也還處于概念期和試驗階段，距離實際應用還有一個較長的過程，想要真正實現產業化尚需時日。

賽迪智庫裝備工業研究所所長左世全表示，無論是3D打印還是4D打印，采用新型打印材料都是其取得革命性突破的關鍵。目前，我國在打印材料方面與國際先進水平相比差距還很大，應加快打印材料的研發及產業化應用，為3D或者4D打印產業的健康可持續發展提供支撐條件。

賽迪智庫研究顯示，盡管4D打印技術的研究起源于發達國家，但我國在相關領域與世界前沿科技的差距目前處于歷史最小時期，已經有能力并行跟進這項有著廣闊應用前景的技術。專家建議，我國應著眼于未來十年、二十年以至更長時期的制造業變革大勢，把4D打印作為國家重大前沿科技進行前瞻部署，鼓勵有研究基礎的高校和科研院所積極跟進4D打印技術最新研究進展，開展材料科學、生物科學、工業設計、信息編碼等理論和基礎研究，做好充分的知識儲備；鼓勵有研發條件的高新技術企業與研究機構合作，實驗性地開展4D打印的產品應用研發制造。