沈臻懿

從3D到4D打印技術(shù)的飛躍

提到3D打印技術(shù)，大部分人都已經(jīng)不再陌生。目前，3D打印的發(fā)展速度可謂一日千里，且極大地改變了人們的生活。但說起4D打印技術(shù)，不少人或許就頗感陌生了。

3D打印，可以看成是某個物體的逐層制造。4D中多的這一個“D”，是物體繼長、寬、高之后的第四維度。也就是說，除了擁有3D打印技術(shù)的“長寬高”三維結(jié)構(gòu)外，4D打印技術(shù)還增加了“時間”的第四維度概念。通過3D打印技術(shù)制造出的產(chǎn)品，在沒有人為干預(yù)的前提下是無法改變的，并一直保持著原狀。但基于4D打印技術(shù)的產(chǎn)品，會對其所處的環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，進而隨著時間的推移而發(fā)生改變。4D中的第四個“D”，使得打印產(chǎn)品不再是靜止的，而是賦予了其智能化與隨時間變化的神奇魔力。這種具有神奇魔力的產(chǎn)品，不僅能夠記住自身最初的形狀，當(dāng)其身處某種特定的環(huán)境條件下，還能回應(yīng)環(huán)境刺激，并恢復(fù)成最初的樣子。

美國麻省理工學(xué)院的一支研究團隊，就在實驗室條件下嘗試開拓著4D打印的應(yīng)用前景。該研究團隊設(shè)計出了一款4D鏤空連衫裙，能夠根據(jù)穿著者的身材進行自我調(diào)節(jié)、變化，即使是在運動過程中，也能實時貼合穿著者的形體。這在一定程度上解決了“量體裁衣”的困擾。同時，世界上第一雙4D鞋子也由該研究團隊設(shè)計問世。這種鞋子雖然在外觀上并不像4D打印技術(shù)那般玄幻，但其可以根據(jù)穿著者腳的大小和形狀進行動態(tài)調(diào)整，不僅合腳，更能有效降低制鞋成本。

從某種程度上說，3D打印出的物體，仍然沒有脫離傳統(tǒng)意義的產(chǎn)品概念。但4D打印出的物體，可以看成是一種可“編程”的新型產(chǎn)品。這種產(chǎn)品不再僅僅以固定形態(tài)存在，其在一定條件下，可根據(jù)先期設(shè)定的時間，就產(chǎn)品的形狀等方面進行相應(yīng)變化。這就意味著4D打印技術(shù)已然顛覆了傳統(tǒng)的造物形式，且具有了“全新的造物邏輯”。

不同于傳統(tǒng)造物過程先模擬后制造，或邊造物邊調(diào)整模擬效果的方式，4D打印是通過軟、硬件之間的無縫銜接，將產(chǎn)品設(shè)計通過打印技術(shù)嵌入可變形的智能化材料中。只要在特定激活條件或時間下，無須人為干預(yù)，即可按照設(shè)計時的方案進行自我“編輯”。

進軍生物醫(yī)療的4D打印

4D打印技術(shù)創(chuàng)造的智能化結(jié)構(gòu)，可以從某種三維結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硪环N三維結(jié)構(gòu)，也可以在一維或二維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，向三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。多維結(jié)構(gòu)間的隨意變形，為4D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的深度應(yīng)用帶來了無限的可能。

心臟支架植入術(shù)，無疑是當(dāng)前治療冠心病、心肌梗死的最佳診療方案之一。其通過介入方法，將冠狀動脈狹窄的部分?jǐn)U張后，放入金屬支架來對狹窄部位進行支撐，從而令狹窄血管壁向外擴張，并保證血液流通順暢。當(dāng)心臟支架遇到4D打印技術(shù)后，一種全新的醫(yī)療植入物即將于生物醫(yī)療領(lǐng)域璀璨登場。

4D打印技術(shù)在心臟支架植入術(shù)中的大顯身手，可進一步降低病人手術(shù)可能面臨的風(fēng)險。該技術(shù)的核心，即是利用4D打印制造出帶有記憶功能的生物心臟支架。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家還需要對帶有記憶功能的支架材料予以精準(zhǔn)控制，從而令其在一定溫度和壓力下，能夠“變身”為預(yù)先設(shè)定的形態(tài)。在手術(shù)時，只需通過血液循環(huán)系統(tǒng)注射帶有設(shè)計方案的智能化材料，這種材料抵達心臟指定部位后，即會按先前設(shè)定的方案來自我組裝并形成支架。

相較于傳統(tǒng)金屬支架，4D打印制造出的支架，在疏通了血管之后，還能漸漸分解成水和二氧化碳等物質(zhì)，最終徹底消失。其不僅可以防止血管再度變得狹窄，還可以避免支架血栓等問題的產(chǎn)生。

對于女性來說，乳腺癌無疑是“令人絕望”的存在，患者為了擺脫其困擾，往往不得不付出乳房切除的代價。隨著4D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的介入，這一現(xiàn)狀將被徹底改變。未來，乳腺癌患者在經(jīng)歷手術(shù)后，不僅能夠切除腫瘤，還能夠保留完整的乳房及其生理功能。這一技術(shù)的關(guān)鍵，就是利用4D技術(shù)打印出一種帶有“時間維度”的可降解生物材料填充物。這種生物材料為多孔狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，與人體組織之間極為相容，且具有良好的支撐性能和彈性。在對患者的乳腺癌腫瘤進行切除和對腋窩淋巴結(jié)進行清理后，就需要在缺失的乳腺組織中填入帶有預(yù)先設(shè)定方案的4D打印可降解生物填充材料。由于該“智能化”材料帶有“時間”這一第四維度，其進入患者乳房后，即會按事先設(shè)置的時間逐步降解。在此過程中，患者自身的纖維組織將不斷生長至填充物中，并最終隨著填充物的降解、消失而完全取代填充物。這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅不會讓患者體內(nèi)遺留異物，且能讓患者再次擁有自然、健康的乳房。除了乳腺癌之外，4D打印技術(shù)所制造的可降解生物材料，還可應(yīng)用于其他人體組織缺失的手術(shù)填充。

4D打印出的“超材料”

4D打印、材料科學(xué)和力學(xué)的融合，誕生出了一種名為“超材料”的智能化材料?！俺牧稀币辉~，來源于希臘語中的“meta”，意為“更高”。簡單來說，“超材料”就是自然界中所沒有的，且不同尋常的材料。目前，科學(xué)家已基于4D打印技術(shù)，研發(fā)出了一種輕質(zhì)柔性材料，其可以用于防災(zāi)減震、安全防護以及柔性機械等設(shè)備，將在安全、健康等領(lǐng)域大放異彩。

這種智能化的材料，既可以像鋼鐵一般堅硬，又能夠像海綿一樣柔軟，且可以隨意改變自身形狀。換句話說，該4D打印超材料具有可調(diào)特性。當(dāng)溫度處在室溫條件和90攝氏度之間時，材料剛度可調(diào)節(jié)范圍超過了100倍，從而可極大限度實現(xiàn)減震功能。此外，在加熱條件下，4D打印超材料可恢復(fù)為原始形狀。

除減震效能外，4D打印超材料還可用于飛機或者無人機機翼?；诔牧纤圃斐龅臋C翼，能夠使其在飛行過程中針對溫度、氣壓或者其他環(huán)境條件的變化來做出相應(yīng)的回應(yīng)，進而實現(xiàn)空氣阻力的最大化或最小化，從而通過“自動”改變機翼形狀來獲得最佳性能。

受到章魚觸角的仿生學(xué)啟示，由靈活、柔軟材料制成的柔性機械設(shè)備，可基于任務(wù)性質(zhì)和所處環(huán)境，來調(diào)整相應(yīng)的剛度或靈活性。前述理論在4D打印超材料的介入下，已然在微型植入式醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域有著極為光明的應(yīng)用前景。多自由度的操作臂，是微創(chuàng)技術(shù)發(fā)展的一大難點。利用4D打印超材料所制造的診斷、治療植入器械，在植入的過程中可以暫時變得較為柔軟且靈活，其可以像章魚觸手一般，通過食道、肛門等人體自然腔道，進入人體，并在人體內(nèi)隨意改變行進方向。這一功能在便于微創(chuàng)植入的同時，也大大減少了患者因為植入活動而引發(fā)的痛苦與不適感。

與此同時，4D打印超材料在安全領(lǐng)域也有著不凡的表現(xiàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，前述材料具有的溫度和記憶特性，極為適用于車輛上的調(diào)控?zé)崦粼?。?dāng)前，車輛溫控器多利用石蠟熱脹冷縮的原理來進行控制，往往存在加工易融化、動作滯后等問題，也影響了行車安全性。若利用4D打印超材料來實現(xiàn)對溫控器的調(diào)節(jié)，則可完美規(guī)避前述問題。輪胎爆胎，尤其是高速行進過程中的車輛爆胎，往往會造成極為嚴(yán)重的安全事故。為了增強行車的安全性，科學(xué)家基于4D打印超材料的特性，嘗試將其應(yīng)用于車輛輪胎，其所具有的超彈性特點，可有效避免輪胎發(fā)生爆胎的風(fēng)險。

值得關(guān)注的是，橫空出世的4D打印技術(shù)，目前大多處于實驗室階段。前述種種設(shè)想如果要走出實驗室，并大規(guī)模普及，尚需要突破諸多瓶頸難題。但值得期待的是，4D打印技術(shù)理念將給傳統(tǒng)設(shè)計與制造領(lǐng)域帶來巨大影響，其應(yīng)用前景一片廣闊。

編輯：黃靈 ?yeshzhwu@foxmail.com