3D打印作为最有发展前途的技术之一，已经在一些行业中得到应用，例如生物医药和建筑等行业都从3D打印技术中受益匪浅。

事实上，3D技术如今已经不再是新鲜事物。全球各地的工程师和研究人员都在试图为3D打印增加一个维度。随着技术的进步，该行业正在开发新的应用、新材料和新的3D打印机。随着这些技术的发展和成熟，4D打印技术已经成为现实。

什么是4D打印，其工作原理是什么?

4D是3D技术的进一步的突破。4D打印在3D技术的基础上增加时间这个变量。4D打印件能够适应环境并与其相互作用。4D打印具有在温度、光线或其他环境刺激等外部能量的影响下将自身转化为另一种结构的能力。它允许物体在没有人为干预的情况下自主地修改其形状。

有了提供的这些功能，4D打印在某些情况下能够自我构建和修复。4D技术的革命在医疗、土木工程、建筑等行业开辟了一个充满机遇的全新世界。创建的4D打印设备将能够对温度、压力、湿度变化等环境变化做出反应，并相应地进行调整。

4D打印，增加的不只是一个“D”

2013年TED(Technology、Entertainment、Design)大会上，来自麻省理工学院的研究员斯凯拉·蒂比斯演示了一个神奇的实验。他将3D打印制造出的多串绳状PVC复合材料放入水中后，这种材料自动改变自身形状，组成了麻省理工学院的缩写字母“MIT”。以实验的方式，研究人员将4D打印最直观地展现在了人们面前。

在4D打印发展初期，人们普遍认为4D打印是在3D打印的基础上增加了一个时间维度。即打印出的物体可以随着时间推移在形态结构上自我进行调整，最终自动达到预先设计要求。

然而，4D打印比3D打印不只是增加了一个“D”(dimension，维度)。

随着研究的持续推进，科学家认为，4D打印的概念至少应该包括两个方面：一是它在3D打印基础上增加了新的时间维度，同时空间维度也得到进一步拓展，增强了打印构件随时空变化的能力；二是在外界特定环境条件的刺激下，4D打印不仅能够制造形状发生可控变化的构件，也能够制造性能、功能发生可控变化的构件。

4D打印之所以能够实现这种神奇的效果，关键在于它以智能材料作为主要原料。4D打印生成的产品在特定环境(比如水、热、电、光、磁等)和交互机制作用下，能够形成具有智能动态结构特征的产品——这与以普通材料作为原料、输出静态结构产品的3D打印有着很大的不同。因此，4D打印也被认为是智能材料的3D打印。

4D打印生成的产品变化并非是随机的，而是在研究人员预先的“编程”控制下。通过“编程”将设计融入智能材料，实现设计与制造的一体化，从而简化了从设计理念到实物的创造过程。4D打印将“程序化”的造物方式变成了现实，因此有人说，3D打印的产品是“死”的，而4D打印的产品是“活”的。

智能材料是核心技术

智能材料是4D技术的核心。但由于相关研究仍处于早期阶段，现可投入使用的成熟材料尚少，主要以多聚物为主，故机遇挑战并存。当前的一个重点研究领域就是探索陶瓷、金属乃至生物物质、复合材料作为打印原料的可能性。而不同的智能材料也赋予了4D打印物品不同的反应机制，除了可以吸水膨胀的材料之外，还有不少材料能对灯光、酸碱性、磁场、重力、气压等外界条件做出反应。

目前，4D打印技术仍然处于摇篮时期，但一些与4D打印相关的技术已经在制造业、医疗行业、甚至是艺术领域逐渐成型。

现代的制造业是一个十分繁琐浪费的过程。如果想要制造一个椅子，我们需要分别制造凳腿、木板，再用螺丝或是胶将不同部件连接起来。在这个过程中也会产生不少被浪费的边角料。而如果利用3D打印，又会出现另一个问题——3D打印技术受限于打印物品的大小。在制作大型物品时，需要做出零部件、再进行组装，这个过程十分耗时耗力。

4D打印为未来的制造业带来了另一种可能性——也许可以在打印机中打印占地面积小的物品，再让它们自行扩张、自动组装成最终产品的样子？

卡内基梅隆大学的研究团队开发了一款特殊的4D打印代码。这种代码可以根据预先设定好的模型，计算所需要的打印速度和打印规律，从而使成品在加热后按照预先设定好的规律折叠。如此一来，从打印机中打印出来的成品只是一片坚硬的塑料板。但在加热后，这片塑料板就会根据预先设定好的规律，进行折叠。

用热风枪加热后，这些平板将会自行折叠，变成花朵、椅子、小兔子等不同形状。虽然现在的4D模型仍然非常小，也并不牢固，但这项技术为现在的制造业提供了新的可能性。利用4D打印技术制造软件设计好原型，而后打印好的原型自动组装成预先设定好的形状，这大大减少了新品开发以及制造的成本，减少了生产过程中造成的浪费。

每1000个小孩中，就有一个尿道狭窄患者，有一些儿童甚至在胎儿时期就面临着尿道狭窄的问题。如果无法成功排除尿液，尿道狭窄将会对小孩的肾脏造成负担，甚至致命。

在很久以前，心血管支架就被应用于治疗心血管堵塞。将包裹支架的气球放到血管狭窄的部位，气球扩张时，支架被撑开。最后再将气球泄气、抽出，留下支撑血管的支架。这样的方法确实有效，但胎儿的尿道要比心血管狭窄得多，曾经的技术很难制造出能够适用于胎儿尿道的支架。

2019年，苏黎世联邦理工学院间接地利用4D打印技术制作出了比原有支架小上40倍的迷你支架。他们首先利用激光，制作出了一个支架模具，并将记忆材料装入模具，最后将模具融化。这种记忆材料可以“记住”自己原本的形状，即便变形也能够恢复到原有的结构。因此，在压缩进入胎儿体内后，受到体温的影响，这种微型支架可以自行扩张成原有的形状，帮助扩张胎儿的尿道。

虽然现在这种微型支架还无法用于临床测试，但科学家认为这种利用4D打印的技术是未来更多微创手术的敲门砖。

利用4D打印技术，我们可以创造出随外界环境改变的物品，这也给艺术领域带来了更多可能性。一位来自新西兰的设计师Nicole Hone就利用不同材质的树脂材料以及多种材质的4D打印技术制作出了一系列幻想中的“未来水生植物”。

通过搭配不同硬度的材料，Nicole可以设计出这些魔幻生物的外观以及行动。在一个密封的充气阀门中，这一系列水生植物作品在压力的作用下，像是有生命一般不断舞动。

4D打印技术也为未来的特效摄影带来了更多可能性，原本只存在于数字媒体中的奇幻生物，也可以通过4D打印变得触手可及。

文章来源： 北青网，中科院物理所，极客网