 还记得漫画《七龙珠》中的“万能胶囊”吗？一粒随身携带的小药丸，只需扔出去，“嘭”的一声后，就能瞬间变形成五花八门的现代化工具：摩托车、飞船甚至房屋。 这个异想天开的场景或许将在不久的未来成为现实——借助最新的4D打印技术，科学家能给物体添加“时间”的纬度，让它们变得拥有“智能记忆功能”，在特定条件下自动“变形”为预先设定的形态。 “不用遥控的机器人” 今年年初在美国加州举办的TED（技术、娱乐、设计的英文缩写）大会上。麻省理工学院（MIT）自动化实验室创始人，28岁的建筑设计师、计算机科学家斯凯拉?蒂比斯表演了一个技惊四座的“魔术”。 他拿出两根貌似普通的长绳扔进水中，绳子很快就发生了不可思议的变化：第一根绳子像有生命一般，慢慢地卷曲、变形，然后自动形成了字母“MIT”的字样。另一根绳子则似乎在做机械运动，折叠成多个90度直角，最后形成了一个规整的立方体框架。 整个过程完全没有人工的参与，看起来就像是材料拥有了自我意识，在进行自我加工变形。 那么，这个“魔术”究竟是如何做到的？实际上，初看无特别之处的长绳是带有关节的4D打印复合物，其主要由两种材料合成。一种是高分子聚合物，在水中可以延展到自身原来长度的两倍； 另外一种材料则可以在水中保持固定形态。借助设计软件和3D打印机，蒂比斯将可延展和不可延展的两种材料混合打印到一缕绳线中，只要将它放入热水浸泡，用不了多久就可以弯曲变形成预先设定的形状。 “4D打印本质上其实就是利用复合材料进行的3D打印，通过这种方式增加了一项功能，那就是变形。”蒂比斯说：“这就像是机器人，只是没有了电线和发动机。” 换句话说，4D打印是在原有3D打印技术的基础上，赋予材料自动变形的能力，研究人员通过软件完成建模，将想要的性状输入材料当中，变形材料就会按照预先的设定完成变形。目前的4D打印需要外部能量来刺激内在的变化，例如TED大会展示的模型就用水来作为触发条件。 有人注意到，绳子的变形看上去很像记忆金属的功能。事实上，两者的基本原理相似。作为一种特殊的合金，记忆金属在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。但多半只能在两种状态间切换，而且其长度、宽度等规格受到很大的限制。4D技术生产的自动变形材料则更加高科技，能在软件控制下完成多种形态变化。 人们相信，与3D打印相比，4D打印能够创造出有智慧、有适应能力的新产品。如果说前者让人们随心所欲地创造各种外形的物体，后者则更进一步，让物体的材质发生颠覆性革命。 美军为何热衷投资4D打印？ 距离4D打印技术的首次亮相仅仅半年时间，美国陆军就宣布，已拿出一笔85.5万美元的资金用于开发4D打印技术。军方将赠款授予了美国匹兹堡大学、哈佛大学和伊利诺伊大学的3个研究小组。 如果说3D打印技术方兴未艾，那么4D打印则实实在在处于概念阶段，美国军方为何就已迫不及待地对此领域进行投资？ “如果你拥有一种能多次改变其属性和形状的材料，那么它就能有多种用途。”领头4D打印研究的哈佛大学教授詹妮弗?刘易斯指出。这些新材料可用于研发适应环境的仿生组件，根据外部刺激来重新改变它们的形状和功能。这能够代替那些固定的，或者仅仅只能改变形状的组件。 想象一下，一件用4D打印技术制成的作战服，它能在不同的环境下变换出不同的迷彩色，甚至可能通过折射光线来让士兵们隐身。或者一种能根据环境改变属性的钢材，它能大大提高坦克的性能。 美国匹兹堡大学教授和首席研究员安娜?巴拉斯称：“我们希望设计出具有适应性的仿生复合材料，能根据外部刺激改变其形状、属性和功能，而不是静态的或简单改变其形状的材料。” 此外，美国海军现已开始在军舰上测试利用3D打印技术制造的弹药和无人驾驶飞机（UAV）。但这项技术推广应用的一大障碍是组装。打印出3D组件本身并不困难，但要将它们组装到一起则需要大量人力。而4D打印技术则有望通过特殊的打印技术和材质制造出能自动组装的部件。 未来，利用4D打印技术有望开发出类似“万能胶囊”一样的帐篷，平时可折叠存放，只要接触水便膨胀变成一顶完整的帐篷；还可能开发出能够自动修补的防御工事、桥梁、公路，其会弥补自身裂痕。 假如宜家家具可以自我组装 显然，4D打印的理念潜力无限，绝非仅仅适用于军工领域，从日用消费品到生物医学实践，从航空航天工业到体育界，可谓无所不包。 蒂比斯说：“你可以设想随运动员和环境的改变而改变的服装和鞋子，轮胎可根据不同路况而变形，消费者就不用为不同路面购买不同型号的轮胎了。”他的终极目标是将这项技术运用到宏观层面上：利用4D打印技术，降低制造业的能源和劳动力成本。 这一技术的运用，可以让物体实现在地下管道，深海、太空等难以接触到的地方进行自我组装。同样也能应用到家具、自行车、汽车、甚至建筑物的制造上。 设想4D打印技术应用到地下排水系统，4D打印机可以建造出收缩自如的“智能”排水管道。当飓风来临时，管道可以变得更大更利于排水，当洪峰过去后，又缩回原来的大小。这些管道还可以根据需要弯曲、扭动、变形，而不会破裂。在地质灾害频发的地区，这种管道甚至可以自我组装和修复。同样，道路桥梁的修建如果用到智能材料，都将意味着大幅度节省城市基础设施建设的人力物力。 还有业内专家们相信，4D打印技术的问世可能预示着自我组装家具时代的来临。美国软件开发商、参与4D打印技术开发的欧特克公司正在对此进行进一步的研究。该公司首席研究专家卡洛?奥古恩称：“想象一下这样的场景，你在宜家买到一把椅子，然后把它放到你的屋子里，最关键的是，这把椅子会自我组装。” 可在人体内“大展拳脚” 4D打印技术不仅能在极端条件下发挥作用，也同样能在微小的空间下大展拳脚，比如人体内，它们将成为新型的人体植入材料甚至替代器官。利用其自动改变形状的特性，4D打印技术在生物医药领域的潜力不可限量。 已有生物材料公司参与开发带有记忆功能的生物心脏支架。医学领域传统的心脏支架通常由记忆金属制成，在通过血管被植入设定的位置后，自动撑开承担扩张血管通道的使命。但问题在于，金属支架无法降解，除非人为将支架取出，否则它将永远留在体内，由此将带来诸多并发症和不利影响。 而如果用4D技术研制新型的生物心脏支架，它们同样可变形，首先以极其细微的形态进入体内，当体内条件合适时则展开变形成可以撑开的空心支架。由于并非金属制成，它还可能具备可降解功能。当涂抹了药物的支架在预定位置完成扩张和疏通血管的使命后，就在血液中自动降解。 同样，利用了4D打印技术打印出的替代人体器官，如关节，软骨，也将拥有更多仿生的特质，最大限度接近人体自身器官。 还需克服两大瓶颈 为更好地促进4D打印技术的发展，麻省理工学院新成立了自组装实验室，和3D打印公司合作研究4D打印需要的软件。 不过包括一线研发人员在内的业内人士坦言，当前4D打印还面临两大瓶颈，首先是实现4D打印所需的智能材料有待进一步开发。目前4D打印技术使用的材料只能感应水的刺激，但未来希望能找到可以感受光、声、热甚至时间的新型智能材料。 第二个问题和3D打印面临的障碍一样：打印机的个头太小，能制造出最大的物体不超过沙发。如果想打印大型工程，比如一栋房子必须使用大型材料，要有高精度且可靠性较高的打印机，但目前来看，这种打印机的造价太高。 蒂比斯和他的团队称，目前的4D打印机只能打印绳子之类的条状物体，今后他们要设计打印出“片状”物体、然后是立体物体。循序渐进地实现一维到二维，二维到三维，三维到更复杂结构的变化。 事实上，3D打印机从构想到广泛应用于生产、生活，前后只用了20年的时间。有理由相信，在不远的将来，4D打印亦将成为人类世界不可或缺的一项技术。 也许，真实的4D打印技术不会像《七龙珠》或《变形金刚》那样，“嘭”的一声变出一个庞然大物。但我们不妨稍稍展开联想：在4D打印的未来，世界将变得能智能和人性化：人们的着装不仅时尚，还能自动根据气温变化调整保暖和透气性；他们脚下的道路会自动吸收雨水； 房屋的外墙能随着四季改变特性，在太空和深海，探测器能自动打印出新的科研设备；在人体内，4D技术打印的替代器官在尽职工作；而那时的家用智能打印机几乎已走进每家每户，将普通人天马行空的想象“打印”进现实。 |
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