3D打印之后會(huì)是什么?答案是4D打印。比起3D打印，4D打印更為神奇：它直接把程序嵌入了材料中，能夠讓材料自動(dòng)變形，使打印出來的零件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組裝。而要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組裝，需要特殊的材料以及使材料發(fā)生改變的介質(zhì)。但專家認(rèn)為，4D打印技術(shù)仍停留在研發(fā)階段，尚不具備大規(guī)模應(yīng)用的可能。
越來越熱的3D打印概念讓人眼花繚亂：只要有3D設(shè)計(jì)圖紙，3D打印機(jī)就能夠讓它變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。就在3D打印還未能普及應(yīng)用、仍處于試驗(yàn)階段時(shí)，4D打印的概念又橫空出世。
比起3D打印，4D打印則更為神奇：它直接把程序嵌入了材料中，能夠讓材料自動(dòng)變形，使打印出來的零件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組裝，“就像是沒有了電線和發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)器人?！?D打印概念的提出者斯凱拉·蒂比茨(Skylar Tibbit)說。
不過目前普遍認(rèn)為，4D打印仍止于概念的階段，要真正得到研發(fā)上的突破并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，還有一段很長(zhǎng)很長(zhǎng)的路要走。
核心技術(shù)是“自我組裝”
4D打印的概念來自于今年2月26日在加利福尼亞舉行的TED(科技、娛樂、設(shè)計(jì))大會(huì)。大會(huì)上，麻省理工學(xué)院自我組裝實(shí)驗(yàn)室的斯凱拉·蒂比茨(Skylar Tibbit)向觀眾們演示了這一神奇的技術(shù)。
4D打印技術(shù)的核心是“自我組裝”。按照斯凱拉·蒂比茨的解釋，自我組裝是一種把各個(gè)無(wú)序的零部件組成一個(gè)有序的結(jié)構(gòu)的過程，這一切都只通過材料自身的相互作用來完成。
怎樣才能使材料自我組裝?這需要特殊的材料以及使材料發(fā)生改變的介質(zhì)。斯凱拉·蒂比茨說，可以使用被動(dòng)式能源作為介質(zhì)，比如熱力、抖動(dòng)、氣壓、重力、磁力等。同時(shí)也需要設(shè)計(jì)得非常巧妙的交互方式，而且這些交互方式可以糾錯(cuò)并讓已成型的物體改變狀態(tài)。
斯凱拉·蒂比茨演示了一段材料自動(dòng)變形組裝的視頻。把一條用多種材料打印出來的鏈子浸在水里，它自我折疊成了字母M.I.T(美國(guó)麻省理工學(xué)院)。在另外一個(gè)演示里，一條鏈子浸在水池里后，它自動(dòng)折疊變成了一個(gè)三維結(jié)構(gòu)的立方體，沒有任何人力的影響。在這里，使得材料完成自我組裝的介質(zhì)就是水。
這些演示簡(jiǎn)單闡釋了4D打印的概念：同樣是利用多種材料進(jìn)行三維打印，但比起三維打印多了一種能力，就是變形?！耙坏能嚧采舷聛?，這些不同的零部件就可以直接自發(fā)地變成其他的形狀，就像是沒有電線或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人”。
斯凱拉·蒂比茨介紹，他們正在與Autodesk(歐特克)合作開發(fā)一款Project Cyborg軟件，可以模擬自我組裝行為，并且優(yōu)化某些部件在何時(shí)折疊變形的設(shè)計(jì)。“最重要的是，我們可以利用同樣的軟件設(shè)計(jì)納米級(jí)的自我組裝系統(tǒng)，以及人類生活中的自我組裝系統(tǒng)?！?/FONT>
用于極限環(huán)境下的建造
斯凱拉·蒂比茨介紹，在微觀納米級(jí)上，如今的技術(shù)可以通過編程使物理和生物材料改變形狀和屬性。有一款名為cadnano的軟件可以用來設(shè)計(jì)各種三維物體，比如納米機(jī)器人或藥物傳輸系統(tǒng)，以及利用DNA自我組裝各種功能結(jié)構(gòu)。
但是在宏觀的人類社會(huì)生活中，還有很多問題沒有被這些納米級(jí)技術(shù)解決，最顯著的是在建筑業(yè)和制造業(yè)。這些行業(yè)存在效率低下、能源消耗巨大、人工技能需求過多等問題，而自動(dòng)組裝技術(shù)可以在這些行業(yè)引發(fā)革命。
比如在鋪設(shè)管道方面，4D打印技術(shù)就大有可為。斯凱拉·蒂比茨說，目前的水管都是固定容積、固定流量的，而且還要使用昂貴的水泵和水閥。人們把它們埋在地底下，如果有任何變動(dòng)，比如環(huán)境變化、地基移動(dòng)或者需求改變，就得從頭再來，把它們挖出來再換新的。
但是如果能夠應(yīng)用4D打印技術(shù)，就可以省去不少麻煩。斯凱拉·蒂比茨透露，目前他們正與波士頓Geosyntec公司合作，開發(fā)一種新的管道模板?！跋胂笠幌氯绻芸梢耘蛎浕蛘呤湛s來改變?nèi)莘e、改變流量，甚至可以自己起伏蠕動(dòng)來傳輸水，這就不需要昂貴的水泵或者水閥了，這是一個(gè)完全可程序化和自我調(diào)節(jié)的管道。”
斯凱拉·蒂比茨介紹，他所在的“自我組裝實(shí)驗(yàn)室”致力于為實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境開發(fā)可程序化的材料，而有的在短期內(nèi)就能得到應(yīng)用，其中之一就是在太空等極限環(huán)境下：他們正在為太空環(huán)境設(shè)計(jì)可以完全重置和自我組裝的結(jié)構(gòu)，可以自我轉(zhuǎn)化成各種功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。
不過，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)、中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟第一副理事長(zhǎng)史玉升對(duì)它并不看好。他說，4D打印技術(shù)仍停留在研發(fā)階段，尚不具備大規(guī)模應(yīng)用的可能，而它傳入國(guó)內(nèi)的更像是一個(gè)神秘的概念。
“在3D打印尚受到技術(shù)和材料等因素的制約，還未轉(zhuǎn)化為真正的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的當(dāng)前，4D打印概念依然很縹渺?！笔酚裆f。
（轉(zhuǎn)載）
