4D列印，未來「生物范兒」

或許要不了多久，利用4D列印技術，科幻電影中的場景就會逼真地發生在我們身邊：一根拐杖在下雨的時候就變成了雨傘；房屋建築可以自動「長」出屋頂、承重牆……

3D列印方興未艾，4D列印漸行漸近。

正如智能穿戴一夜之間從科幻片走入現實，能夠讓列印物「活」過來的4D列印技術，有望在不久的將來改變我們的生活。

近日，由美國「神經系統」設計工作室打造的全球首件4D列印連衣裙問世。這件衣服最大的特點在於，它可以自動適應環境，即便在運動中也會時刻貼合穿戴者的身體。

「4D列印比3D列印多的一個『D』即時間維度，4D列印物不再是靜止的，而是智能和隨時間變化的。」西安交通大學機械工程學院教授李滌塵告訴《科學報》記者，未來，4D列印技術有望利用於生物醫療器械、智能機器人等各個領域，不過，目前離大規模應用還很遙遠。

圖片來源：百度圖片

超越3D列印的「炫」技

在兩年前的美國TED大會上，計算機科學家斯凱拉·迪比茨首次通過視頻向外界展示了魔術般的4D列印技術——一根奇特材質的小棍扔到水裡后，慢慢扭曲變形成麻省理工學院的縮寫字母「MIT」。

斯凱拉·迪比茨稱，這一新技術的靈感來自於生物的自我複製，他相信機器和建築很快也能夠自我組裝、複製以及修復，因為這是自然系統的內在能力。

看似很玄妙的4D列印技術其實並不神秘。按照李滌塵的解釋，4D列印就是3D列印技術與智能材料性能的結合，即智能材料結構在3D列印的基礎上，通過外界環境的刺激，隨著時間實現自身的結構變化。

在李滌塵看來，4D列印領域的進步將更多地依賴材料本身，而非列印技術。另外，並不是說任意材料都可以被「激活」，而是需要具有模仿生物體的自增值性、自修復性、自診斷性和環境適應性等的智能材料才行。

據介紹，4D列印所需要的智能材料一般包括電活性聚合物、形狀記憶材料、壓電材料、電磁流變體、磁致伸縮材料等。

4D列印除了對列印材料要求較高以外，還需要具備另一項非常關鍵的因素，那就是要有觸發自我組裝的「催化劑」。這一「催化劑」不一定是水，根據不同的列印材料，也有可能是光、熱、聲音、震動、氣體，甚至是電子。

也就是說，通過軟體設定好模型和時間后，在特定環境下，無需人為干預，無需通電，4D列印物便可按照事先的設計，在規定的時間內進行自我組裝。

或許要不了多久，利用4D列印技術科幻電影中的場景就會逼真地發生在我們身邊：一根拐杖在下雨的時候就變成了雨傘；房屋建築可以自動「長」出屋頂、承重牆……

生物醫療領域的無窮應用

藉助4D列印技術製造出的智能結構，可以發生由一維或二維結構向三維結構的變化，或者由一種三維結構變形成另一種三維結構。這種結構的隨意變化也給4D列印技術的應用帶來無窮的暢想，而生物醫療領域最有可能成為該炫技的主秀場。

麻省理工學院數學家丹雷維夫曾表示，4D列印有利於新型醫療植入物的發明。比如心臟支架，如果採用4D列印技術製造，將不再需要給病人做開胸手術，可通過血液循環系統注射入攜帶設計方案的智能材料，到達心臟指定部位后自我組裝成支架。

如今，深圳光華偉業實業有限公司就正在與合作夥伴共同開發帶有記憶功能的生物心臟支架。該公司董事長楊義滸表示，他們將對帶有記憶功能的材料進行精確控制，使之在一定的外部條件（比如溫度、壓力）下，恢復預設的形態。

除此之外，多自由度操作臂是微創技術未來發展的研究難點。李滌塵表示，他們正在自主研發智能材料，並通過4D列印技術應用於多自由度操作臂的製造研究中。

「未來，手術操作臂可以像蛇一樣，通過食道、肛門等人的自然腔道進入人體，並在體內任意更改方向。」李滌塵稱，電極施加電壓作用在智能材料上，就可以實現操作臂的多自由度彎曲和轉向，從而成為一種剛柔並濟的操作臂柔性控制方法。

另外，牛津大學聖安東尼學院榮譽學者納伊夫·魯贊曾在美國《外交》雙月刊網站發文稱，藉助4D列印的原理，研究人員還能夠利用DNA鏈製造出對抗癌症的納米機器人。

從概念到現實仍需時日

不過，4D列印技術即便在大洋彼岸的美國也僅僅處於「實驗室」階段，在實現以上種種暢想之前，仍有許多瓶頸需要突破。

北京隆源自動成型系統有限公司總經理馮濤表示，目前4D列印技術主要有兩個短板，一是印表機的規模太小，且缺少高精度、可靠性較高的印表機；二是人才儲備短缺，全國從事3D技術的主要研究人員還不到100人，具備4D列印技能的人員就更少了。

與此同時，加工工藝、材料設計、裝備製造等技術水平也都是制約4D列印技術發展的主要障礙。

李滌塵認為，由於智能材料製造工藝複雜，傳統製造方法只能製造簡單形狀的智能材料，難以製造複雜形狀的材料結構，因而嚴重限制了智能材料結構的發展與應用。

在他看來，4D列印主要取決於智能材料的發展，未來應研究發展多種適用於4D列印技術的智能材料，對不同外界環境激勵產生響應，響應變形的形式更多樣化。

受訪專家普遍認為，目前4D列印技術還只是處於概念階段，並且在未來較長的一段時間內也主要停留在試驗研究階段。不過，可以肯定的是，4D列印技術研究和發展應用將對傳統機械結構設計與製造帶來深遠的影響，而隨著4D列印智能材料的多樣化，4D列印技術的應用將更加廣泛。（李惠鈺）