4D打印结构能够在外界刺激下产生可编程的形状及性能变化，因而在航空航天、软体机器人、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。然而，当前的4D打印结构通常无法兼顾大变形能力和力学承载能力，无法实现多功能融合。

连续纤维复合材料4D打印取得新进展

西安交通大学科研团队利用液晶弹性体的可逆热致伸缩变形能力，结合连续纤维材料的优异力学性能，提出一种基于连续纤维增强液晶弹性体的直写4D打印方法，液晶弹性体复合材料内部嵌入的连续纤维起到了显著增强力学性能以及实现弯曲变形效果的作用。

该打印方法能够通过调控纤维在复合材料丝材内部的偏置位置实现打印结构可控的承载特性及变形形态。打印的液晶复合材料可以承受高达其自身重量2805倍的载荷，并在150 ℃条件下实现0.33 mm-1的弯曲曲率。利用这一工艺制备了具有承载能力以及变形能力的复合材料桁架结构，解决了传统4D打印结构力学承载性能差的难题。

近日，该研究成果以《具有可编程空间变形能力的可控偏置连续纤维/液晶弹性体复合材料4D打印》为题发表在期刊《自然—通讯》上。

4D打印，突破时间的壁垒

4D打印继承了3D打印分层制造与无模化一体成形的属性特点，将一种对温度、水、电化学、pH等刺激产生响应的材料引入增材制造技术，通过数学编码运算实现材料在时间维度上的变换。2013年，在美国的TED会议上麻省理工学院Tibbits首次提出4D打印概念，并展示了一根绳子在水中转变为“MIT”立体字样的过程，4D打印技术自此在学术界掀起了广泛的研究热潮。所谓的4D打印，比3D打印多了一个"D"也就是时间维度，人们可以通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。准确地说4D打印是一种能够自动变形的材料，直接将设计内置到物料当中，不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。下图中这朵摇曳的“花”并不是动画特效，而是由哈佛大学研究者通过神奇的4D打印技术用水凝胶材料所打印出的真实模型。经过预先的结构变形程序设计，这朵“花”的花瓣便能够随着环境变化自如收放。

3D打印与4D打印之间有什么联系吗？

3D包含的3个维度指的是长度、宽度和高度，而4D打印增加的一个维度是指时间。因此我们可以用公式：4D=“3D+时间”表示3D和4D的关系。广义上，除了形状变化外，3D打印的复杂形状响应外界刺激从而产生性能、功能变化都可以被称为4D打印，外界刺激作用场则主要包括热、磁、光、湿度、pH等等。4D打印技术的核心在于可编程、可设计的，特定条件下可随时间变化的结构，而它的实现离不开3D打印和符合4D打印功能要求的智能材料。增材制造技术发展的基础是 3D打印，通过CAD或3D扫描实体构建产品的三维数字模型，优化移动路径和打印参数，将三维数模进行切片获得的数据文件通过 3D打印设备输出，实现原材料的逐层积累制得所需制件。3D打印所用材料性能是稳定的，其所获得的结构模型是静态的，形状性能不会随时间发生变化。而4D打印是将智能材料进行数学编码通过3D打印获得能够在外界刺激下实现形态、性能与功能演变的动态结构，是不稳定的、动态的。与3D打印相比，4D打印具备许多优势。首先，通过智能材料的数学编程，可以实现3D打印结构的形态功能自我转变与制造，赋予结构初期状态的更多设计自由度。其次，简化3D打印的形状结构，降低生产难度，通过后期的外部激励与刺激，获得预期的功能结构，极大地降低了设备成本、劳动成本与时间成本。第三，促进物质程序化发展与互联网制造进程，实现智能材料的数字化，克服生产制造的空间限制，最终实现多样化材料的全球化甚至外太空的数字制造。3D到4D，增材制造技术实现了智能跳跃，3D打印是实现 4D打印的技术基础，两种技术并不能完全割离开来，需要将两者有效结合方能实现增材制造技术在工程应用上的突破性发展。可以说，4D打印的出现丰富了3D打印技术的潜能与生命力。

4D打印案例

1、过4D打印创造出了非常小的针头

期刊《Advanced Functional Materials》上的一项研究表明，罗格斯大学的工程师通过4D打印创造出了非常小的针头，可以减轻疼痛，降低感染风险。自然界中，某些昆虫等生物拥有粘附在组织上的微观特征，比如寄生虫的钩、蜜蜂带倒钩的刺和豪猪的棘刺。受到它们的启发，工程师开发的这种微针可以在插入皮肤时与组织互锁，从而增强粘附力。结合微3D打印技术和4D打印，他们还在微针上加上了倒钩。3D打印可以逐层构建对象，而4D则采用了能在打印后改变形状的智能材料。时间是第四个维度，可以使材料变成新的形状。

2、打印牙齿矫治器

德国、埃及和阿联酋的研究人员开发了一种新型的3D打印透明牙齿矫治器，与目前市场上的矫治器不同，它是由形状记忆聚合物制成的，具有"4D "形状记忆功能。研究小组利用一台标准的Asiga Max 3D打印机和ClearX树脂，这种树脂号称是 "变型矫正器 "的理想材料，制造了六副4D打印矫治器。

结果表明，形状记忆矫正器成功地实现了牙齿 21 的显著移动，并且在正畸测量和模拟系统 （ OMSS ）中也测量了一致的移动。一个形状记忆矫正器实现的错牙移动几乎等于 10 个传统矫正器可以实现的移动量。目前，4D打印矫治器还处于科研阶段，期待早日被商业化应用。

3、制备高效的赝电容存储

爱尔兰圣三一学院的Valeria Nicolosi教授、李科研究员与美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授合作，开发了一种通用的4D打印技术（3D打印+时间），能够实现多种MXene水凝胶（Nb2CTx，Ti3C2Tx，Mo2Ti2C3Tx）的可定制化精确制备，且所制备MXene水凝胶表现出高效的赝电容存储能力。

些水凝胶都具有3D多孔结构、大比表面积、高导电性和良好的机械强度等优点。

4、实现自紧功能手腕前臂夹板制作

Tiffany Cheng提出了一种用于4D打印材料系统的材料编程方法，并用熔融纤维制造（FFF）打印机使用木材填充的长丝对整体材料系统进行4D打印，实现了手腕前臂夹板(一种常见的矫正装置)自紧功能。用于固定的自成形装置，可以消除在长期使用过程中，由于肌肉萎缩而频繁移除和重新使用石膏的需要。

文章来源： 《自然—通讯》，博文汇，增材云3D打印