方恩印+葛驚寰+李春梅

4D打印的概念及延伸

起初，大家理解的4D打印，是指在平面印刷的基礎(chǔ)上加入動感、嗅覺、聽覺等人體感受，人們能夠從中獲得多方位的感受。在這個概念里的“動感”，通常是指采用圖像處理技術(shù)，對原始圖像進行分層、拉伸變形處理，印刷后，用光柵覆蓋，以裸眼或佩戴3D眼鏡的方法實現(xiàn)，此技術(shù)已發(fā)展得較為成熟；“嗅覺”則是通過分子擴散技術(shù)，將特定植物香料與催化劑、抑制劑混合，在印刷前，按比例均勻攪拌到油墨中，印刷完畢后，通過一定時間的沉香過程，即可使香料融入承印物中，帶給人們不同的味覺體驗，香料是直接從植物的花蕊、籽及葉中提取，對人體無害且無污染；“聽覺”，是通過紐扣電池供電，使得雜志等印刷品在觸碰翻頁的同時，發(fā)出特定的響聲，無線射頻（RFID）充電技術(shù)與新型紙電池的結(jié)合與應用，更有利于有聲報刊朝著更薄更環(huán)保的方向發(fā)展。4D打印概念的提出，將視覺、聽覺和味覺引入到了傳統(tǒng)的平面媒體中，從形式到內(nèi)容全面改造了傳統(tǒng)紙媒，給讀者更加新鮮的感官體驗。

隨著科技的進步，人們對4D打印的概念又有了新的設(shè)想：利用3D打印技術(shù)可直接打印出所需物體，既節(jié)省勞力，又較為精確，那么是否能在打印之初，使用特殊材料進行設(shè)計，讓輸出的物體能夠在外在因素改變時，根據(jù)預先的設(shè)定改變自身形狀呢？

目前，美國麻省理工學院（MIT）和歐特克（Autodesk）等公司的研究人員正試圖找到一種使3D打印品的形狀根據(jù)環(huán)境自行發(fā)生改變的印刷方法，即在打印的概念中加入了時間元素，通過對特殊智能材料進行預編程，使得被打印物體隨著時間的推移可實現(xiàn)形態(tài)上的自我調(diào)整與組裝?，F(xiàn)今，這一研究已經(jīng)取得初步成效。

將打印好的類似繩索的線狀物體放入水中，在較短的時間內(nèi)，線狀物體按照事先的“編程代碼”發(fā)生了自主形變，形成了預想的“MIT”字樣（如圖1-a）；圖1-b顯示了打印好的線狀物體，在水中形變?yōu)?維物體的過程；圖1-c為MIT研究人員創(chuàng)造的一個平板，其在水中浸泡20分鐘后，自行折疊成為了立方體。

本文所探討的4D打印具有以下特點：①打印輸出后自行組裝；②在特定環(huán)境、刺激物體的誘導下能發(fā)生形變；③具有基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的柔性機構(gòu)，可通過形變轉(zhuǎn)移外力且可以在兩種穩(wěn)定的形態(tài)中來回切換；④具有形狀記憶功能。

4D打印的構(gòu)成要素

3D打印要預先建模、掃描，然后用相應的材料按照之前的計劃完全復制。其輸出的對象是固定的、靜態(tài)的。如果你想要更復雜的東西，那么你需要打印多個零件，然后組裝。

4D打印則是直接將想要的形狀輸入材料，然后打印輸出，在特定的條件下，物體會“自動”出現(xiàn)，后續(xù)不需要任何組裝設(shè)備與人員勞作。可以看出，對象前期的形狀“編碼”和材料選擇及輸出缺一不可。因此實現(xiàn)4D打印必須有三個要素：幾何預編程軟件、智能材料及3D多材料打印機。

1.幾何預編程軟件

2012年MIT與Autodesk 公司合作開發(fā)出了Project Cyborg設(shè)計軟件。該軟件是一個基于云計算的設(shè)計平臺，目前以客戶端的形式，通過網(wǎng)絡(luò)-服務(wù)器-秘鑰的方式提供給客戶使用，可用于從納米級到米級范圍的物體設(shè)計，且同時提供建模、仿真及多目標優(yōu)化設(shè)計，具有可模擬物體自組裝和形變關(guān)節(jié)點的處理等功能。其目的是通過該軟件的設(shè)計和演示，以虛擬的方式再現(xiàn)設(shè)計對象在現(xiàn)實世界中四維變化的過程。這一應用淘汰了先模擬再建設(shè)或建設(shè)之后再調(diào)整模型的傳統(tǒng)方式。配套的硬件與其構(gòu)成的工作流程可以對仿真過程中最終呈現(xiàn)的物體形態(tài)及所使用材料進行實時調(diào)整，提供自上而下和自下而上的物理和數(shù)字上的設(shè)計變革模式。

2.智能材料

所謂智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括外環(huán)境和內(nèi)環(huán)境）刺激，對之進行分析、處理、判斷，并采取一定的措施并進行適度響應的智能特征的材料。其特征如下：①具有感知功能，能夠檢測并識別刺激強度，這些刺激包括光、電、應力、熱、化學、應變、核輻射等；②能夠響應外界變化，具有自驅(qū)動功能且反應比較靈敏；③能夠按照“預設(shè)定”方式選擇并控制響應，當刺激消除后，可迅速恢復到初始狀態(tài)。智能材料的分類與構(gòu)成如表1所示。

由于上述智能材料價格昂貴且屬性也被限定，因此4D打印更傾向于使用日常材料，如塑料、金屬和木材等，并將它們以智能的方法進行結(jié)合，通過打印機以不同的厚度和方位來結(jié)合和打印這些材料。由于在設(shè)計之初，諸如形狀變化、自行組裝所需的能量的多少等信息都以“編碼”的方式包含在材料的屬性中，所以打印出來的物體就可隨環(huán)境變化做出反應，用以模仿由制動器、發(fā)動機和傳感器來驅(qū)動的機器組裝設(shè)備的運動。這項新科技來自于麻省理工學院的自組裝實驗室，Skylar Tibbits和他的團隊正在對所謂的“可編程的材料”進行試驗。研究人員用3D打印機打印出這些物質(zhì)，然后觀察它們在四維空間里改變形狀或自動重組成新的模式，使得設(shè)計轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品時，更高程度的自動化裝備過程成為可能。

目前，Stratasys公司研發(fā)出了一種動態(tài)材料，這種材料是由親水聚合物構(gòu)成，在遇到水的時候其長度可擴展為原來的1.5倍。打印機打印剛性聚酯材料的同時將動態(tài)材料置于剛性聚酯材料待變形的連接處，以便為剛性聚酯材料發(fā)生形變時提供動能。而剛性聚酯材料則是4D打印成品結(jié)構(gòu)的主要組成部分，同時起到限制動態(tài)材料形變角度的作用。打印出的初始對象遇到水后，活性動態(tài)材料發(fā)生膨脹變形，迫使剛性聚酯材料彎曲，當該剛性聚酯材料觸碰到相鄰部件時，則強制停止折疊，從而形成最終的穩(wěn)定狀態(tài)。剛性聚酯和活性動態(tài)材料的位置和體積、內(nèi)嵌幾何編碼的設(shè)計與布局使得對象在內(nèi)部或外在環(huán)境的刺激下直接自組裝為所需要的對象，無需其他外在人工干預。圖2顯示出4D打印項鏈的自組裝過程。

3.3D多材料打印機

3D多材料打印機不同于多介質(zhì)打印機，關(guān)鍵區(qū)別在于前者可適用于多種“油墨”，而后者是將固定的“油墨”打印在不同的材質(zhì)上。3D打印機，即快速成形技術(shù)的一種機器，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印的設(shè)計過程是：將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機以層疊薄層的方式逐層打印。這里的層疊薄層的方式有多種，常見方式如表2所示。

一般3D打印機所使用的材料單一，更多依靠于材料的幾何設(shè)計，不適用于多種類、不同用途智能材料的輸出與打印。PolyJet 3D打印技術(shù)與3D打印機的有機結(jié)合可有效解決上述問題。采用PolyJet 3D打印技術(shù)的3D打印機擁有16個微米層，精確度高達0.1mm，適合制造光滑表面、薄壁和復雜的幾何形狀。是唯一支持從橡膠到堅硬材料、從透明到不透明材料等多種材料的技術(shù)，并且通過Objet Connex技術(shù)，甚至可以在同一零件中同時打印多種材料。

PolyJet 3D打印的工作原理與噴墨打印較為相似，將可固化的智能材料噴射在構(gòu)建托盤上，而非一般的承印物上。其打印過程基本如下：①通過對“幾何編碼”后的智能材料預處理，計算出智能材料和支撐材料的準確位置。②3D打印機噴射微細顆粒智能材料并立即使用紫外線將其固化。薄層聚集在構(gòu)建托盤上，形成精確的3D模型或原型。3D打印機會在懸垂部分或形狀復雜需要支撐處噴射可去除的凝膠狀支撐材料。③用水沖擊或直接用手掰除支撐材料后，3D打印機生成的模型即可使用，無需后續(xù)固化。Stratasys公司的Objet 3D打印機是目前世界上唯一可提供多種材料靈活性制造的系統(tǒng)，可以在同一3D打印模型或同一打印作業(yè)中結(jié)合使用多種材料，實現(xiàn)多種應用，比如包覆成型、著色、使用不同材料實現(xiàn)同時打印等。在打印過程中，可以將兩種材料相結(jié)合以創(chuàng)造具有特殊特性的復合數(shù)字材料。其中Object Connex系列3D打印機采用最先進PolyJet系統(tǒng)，常見Object Connex系列3D打印機如圖3所示，其通過同時噴射多種材料將不同3D打印材料結(jié)合于同一模型，可以選擇性地在一個打印原型中放置多種材料，甚至將兩種或三種材料相結(jié)合以利用不同的、可預測的屬性創(chuàng)造復合數(shù)字材料。例如，結(jié)合剛性和橡膠類材料模擬多種邵氏A硬度值，混合青色、品紅色和黃色產(chǎn)生多種混合色調(diào)，甚至將橡膠類材料與色彩結(jié)合，創(chuàng)建觀感更接近未來產(chǎn)品的鮮亮柔性原型，創(chuàng)建出色的接近最終產(chǎn)品實物的精密原型，生成復雜形狀、繁雜細節(jié)和平滑表面。通過具有良好通用性的材料將有色的不同材料整合于一個模型。表3為Object Connex系列常見機型性能參數(shù)對照表。

4D打印的應用設(shè)想及挑戰(zhàn)

隨著“可編程”打印材料的出現(xiàn)，未來產(chǎn)品的屬性和工藝已經(jīng)發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變。打印后的智能材料以一種全新的裝配方式出現(xiàn)在人們面前，產(chǎn)品將會根據(jù)使用者的需求（如生物信息、體溫、汗水和內(nèi)部壓力等）做出相應的反應。同樣，產(chǎn)品的適應性會更加突出，將感知環(huán)境的變化（如水分、溫度、壓力、高度、聲音等），通過周圍環(huán)境的不同能量進行自我重新配置、突變和復制。當這些“可編程”產(chǎn)品出現(xiàn)問題時，物體本身會進行誤差糾正和自我修復，以滿足新的需求。當物體用完，其亦可自行拆卸，人們只需將其回收，還原為基礎(chǔ)材料循環(huán)利用即可。

1.4D打印的應用設(shè)想

2D打印技術(shù)是讓信息在一個平面上得以表現(xiàn)，3D打印技術(shù)則讓打印出來的對象成為有體積的靜態(tài)立體物件。目前公布的4D打印系統(tǒng)已經(jīng)將4D打印技術(shù)改進到實用性階段，已能制造比沙發(fā)小的物體，使用的智能材料也比過去更簡單、更小、更廉價。目前該領(lǐng)域的研究重點是：將4D打印技術(shù)應用于基礎(chǔ)設(shè)施、軍用、倉儲物流等方面。

在基礎(chǔ)設(shè)施方面，以管道系統(tǒng)為例，除內(nèi)含昂貴的馬達和閥門之外，水管有固定的流速，而且這整個系統(tǒng)都埋在地下，如果環(huán)境發(fā)生變化，以至于需要變動水管系統(tǒng)時，我們需要將他們?nèi)客诔鰜?，再重新建造水管系統(tǒng)。若水管應用4D打印技術(shù)，則其可以具有通過擴大或縮小來改變?nèi)萘炕蚋淖兞髁康哪芰Γㄈ鐖D4），就可以省去很多麻煩。另外，當?shù)叵滤芷茡p時候，其還能感知環(huán)境變化并進行自我修復（如圖5），可大大減低資源的浪費和人力的消耗。

在軍用方面，美國政府授權(quán)哈佛大學、普林斯頓大學針對智能對象自組裝及感知環(huán)境自變形方面進行研究與開發(fā)。如可自動搭建的避難所和橋梁；可感知外在環(huán)境（沙漠、陸地、沼澤）并進行顏色及形狀變化的自適應偽裝作戰(zhàn)服，有效保護士兵安全；可感應士兵運動狀態(tài)和外在環(huán)境變化的作戰(zhàn)靴，在登山防滑靴、雪地保暖靴、運動防水靴之間實時變換。

隨著電商的發(fā)展，在物流行業(yè)， 4D打印出來的自主裝封裝物體可大大減少運輸、倉儲過程中成品體積所占用的空間，無疑能帶來巨大的經(jīng)濟效益。最近美國麻省理工學院的設(shè)計師正構(gòu)思用4D打印技術(shù)制造裙子，它可被壓縮成一團，受刺激后就可攤開成合身的長裙（如圖6）。

2.4D打印面臨的挑戰(zhàn)

然而，4D打印在發(fā)展過程中也遇到了各種問題。首先，響應速度較慢，設(shè)計打印周期較長。設(shè)計前期需要對材料變形的連接處進行“預編程”，然后進行建模分層打印，通常來說一個設(shè)計打印周期長達數(shù)周。

其次，技術(shù)層次相對較高。目前人們對軟件的應用更偏好于傻瓜式，而4D打印技術(shù)則要求操作人員具有較高的軟件使用技能，包括設(shè)計軟件、建模軟件、打印驅(qū)動軟件等，而且在設(shè)計構(gòu)思之初，還需了解產(chǎn)品的相關(guān)屬性，因此4D打印對工作人員的整體技術(shù)水平要求相對較高。

再次，耗材的性能決定了4D打印技術(shù)的應用范圍。目前4D打印的耗材除常規(guī)智能材料（如聚酯、粉末顆粒、石膏等）以外，亟待開發(fā)其他新型智能材料以滿足不同的用途，另外耗材在制造精度、強度和質(zhì)感方面需進一步提高。

最后，制造成本較高。無論是軟件投入、材料的應用，還是硬件購買，都決定了4D打印的成本相對較高，且單個產(chǎn)品的制造價格遠遠高于機械加工價格。綜上所述，4D打印技術(shù)改變傳統(tǒng)制造加工業(yè)，仍需相當長時間的發(fā)展。

4D打印技術(shù)是新時期印刷技術(shù)發(fā)展的一個里程碑，其將時間維度與傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)相結(jié)合，通過對特殊智能材料進行預編程，可隨時間推移在宏觀等級上實現(xiàn)被打印物體在形態(tài)上發(fā)生自我調(diào)整與組裝。其維度的增加不僅可大大降低物體制造后倉儲、運輸及安裝成本，且徹底顛覆了傳統(tǒng)印刷的理念，這一新技術(shù)的發(fā)明與應用勢必引起印刷與制造行業(yè)的巨大變革。