作者：李振坤（北京交通大年夜学机械与电子控制工程学院副传授、京津冀国度技巧立异中间智能智造研究所立异师）

　　从个性化的珠宝饰品到复杂的航空零部件，3D打印展示出了巨大年夜的创造力和应用潜力。然而，科技的摸索永无尽头，一种比3D打印更具冲破性的技巧——4D打印，正悄然鼓起。它在3D打印的基本上融入了时光维度，付与物体“自我变形”和“自我组装”的神奇才能，为将来制造带来无穷可能。

流变机械人仿阿米巴虫活动示意图。作者供图

　　3D打印完成后，物体的外形便固定下来。而4D打印则在此基本上引入了时光维度，打印出的物体能跟着时光、情况变更而改变外形、机能或功能。简单来说，3D打印制造的是静态物体，4D打印创造的是类似“生命”的动态智能构件，它们能对四周情况做出智能响应。

　　4D打印的材料“暗码”

　　实现4D打印依附于智能材料和编程设计。智能材料是一类对情况刺激，例如温度、湿度、磁场、电场等，具有感知和响应才能的材料。在4D打印中，常用的智能材料有外形记忆合金、外形记忆聚合物、磁控智能材料、智能水凝胶等。以外形记忆合金为例，它在低温下可以变形，当温度升高到特定值时，会敏捷恢复到本来的外形。

　　4D打印将这些智能材料与计算机帮助设计与制造技巧相结合，经由过程对材料在不合区域的分布、构造进行精确设计，并编写响应的“法度榜样”，就能控制物体在不应时光、不合情况下的变更方法。

4D打印智能材料。作者供图

4D打印智能材料。作者供图

　　外形记忆合金：金属的“记忆魔法”。外形记忆合金是4D打印中重要的材料之一，个中最具代表性的是镍钛合金。它具有独特的晶体构造，在不合温度下会产生相变。在低温的马氏体相时，合金轻易变形，而当温度升高到奥氏体相改变温度以上时，合金会敏捷恢复到高温相时的外形。在4D打印过程中，技巧人员根据设计需求，精确控制外形记忆合金在不合区域的分布与构造，结合编程设定的温度变更前提，实现对物体变形过程的精准调控。例如，在制造复杂的航空航天零部件时，应用外形记忆合金在高温下恢复预设外形的特点，可实现零部件的自组装和自适应调剂，大年夜大年夜进步制造精度与效力，同时削减零部件数量和重量，晋升整体机能。

　　外形记忆聚合物：塑料的智能变身。外形记忆聚合物种类繁多，成本相对较低，且易于加工成形。它的外形记忆效应源于其内部的分子链构造。当受到外界刺激时，分子链的构象产生变更，从而实现外形的改变。在生物医学范畴，外形记忆聚合物有着巨大年夜的应用潜力。例如，可降解的外形记忆聚合物制成的血管支架，在低温下可以被紧缩成渺小的外形，经由过程导管轻松送入血管病变部位。达到指定地位后，跟着体温的感化，支架会恢复到本来的外形，撑开狭小的血管，并且在完成任务后逐渐降解，避免了二次手术掏出的麻烦。

　　磁控智能材料：将来的软体机械人。磁控智能材料是4D打印材料家族中的重要成员，在航空航天、生物医疗等多个范畴展示出独特的应用价值。这类材料重要包含磁性流体、磁流变弹性体等，它们由聚合物或有机溶剂构成的基体和平均分散在个中的微/纳米磁性颗粒构成。在磁场的感化下，磁性颗粒会敏捷分列形成特定的构造，从而使材料的力学机能，如刚度、阻尼等，产生明显变更。

4D打印制造的流变机械人概念图。作者供图

　　软体机械人是一种新型柔嫩机械人，可以或许适应各类非构造化情况，与人类的交互也更安然。磁控智能材料具有响应速度快、控制精度高的特点，磁控智能材料在软体机械人中的应用使其可以或许模仿生物的复杂活动。例如模仿章鱼活动的软体机械人，经由过程对不合部位磁控智能材料施加不合强度和偏向的磁场，可以实现触手的曲折、伸展和抓握等动作，在海洋探测、水下救济等范畴具有广阔的应用前景。在这一方面，北京交通大年夜学团队自立研发的全球首个磁控流变机械人甚至可以模仿单细胞生物阿米巴虫的伪足变形活动，将来有望应用于血液轮回肿瘤细胞的捕获与清杀。

　　智能水凝胶：遇水“变形记”。水凝胶是一种亲水性的高分子收集材料，可以或许接收大年夜量水分并保持必定的外形，在4D打印中的应用重要基于这种材料所具有的溶胀和紧缩特点。不合的水凝胶对不合的情况身分（如pH值、离子强度等）有不合的响应。在药物控释范畴，水凝胶制成的微球可以根据体内幕况的变更释放药物。当微球处于肿瘤微情况（平日pH值较低）时，水凝胶会产生紧缩，将包裹在个中的抗癌药物迟缓释放出来，实现精准治疗，削减对正常组织的伤害。

　　给航空航天、医疗、智能穿戴等范畴带来变革

4D打印智能软体夹持体系进行柔性抓取。作者供图

　　在太空范畴，4D打印的可折叠构造具有巨大年夜优势。在发射阶段，航天器的部件可以被折叠成紧凑的外形，节俭空间，降低发射成本。进入太空后，这些部件可以或许在特定的情况刺激下主动展开并组装成所需的外形，如太阳能电池板、天线等。这不仅削减了太空组装的难度和风险，还进步了航天器的靠得住性和可保护性。2021年，我国发射的“天问一号”探测器借助外形记忆聚合物构造，成功完成了中国国旗的可控动态展开。这个展开机构由哈尔滨工业大年夜学团队自立设计并研制，使我国成为世界上首个将外形记忆聚合物智能构造应用于深空探测工程的国度。

　　在生物医学范畴，4D打印的应用为医疗技巧的成长带来新的曙光。在组织工程方面，科学家们应用4D打印制造具有生物活性的支架。这些支架不仅具有三维的多孔构造，有利于细胞的黏附、发展和增殖，还能跟着细胞的发展和组织的修复而产生外形和力学机能的变更，为组织的再生供给幻想的微情况。例如，打印的骨组织支架可以根据骨骼的发展情况逐渐调剂自身的力学机能，促进新骨的形成。在个性化医疗方面，4D打印更是展示出其独特的优势。大夫可以根据患者的具体病情和身材特点，定制4D打印的医疗器械。例如，为患有先本性心脏病的儿童打印个性化的心脏瓣膜，瓣膜可以或许跟着心脏的跳动和发展而自适应地调剂外形和功能，进步治疗后果。此外，4D打印的药物递送体系也能实现精准的药物释放，根据体内不合部位的需乞降时光节点，精确控制药物的释放量，进步药物的疗效，削减副感化。

青少年懂得4D打印技巧。作者供图

　　在柔性夹持范畴，4D打印也展示出独特的应用价值。在工业临盆中，传统刚性夹持对象在面对外形不规矩、质地柔嫩或易碎的物品时，轻易造成毁伤。4D打印应用智能材料制造的柔性夹持器则能很好地解决这一问题。例如，采取外形记忆聚合物制造的柔性夹持器，在低温下具有必定的柔韧性，可以轻松包裹住被夹持物体。当温度升高时，夹持器会按照预设法度榜样收紧，稳定地抓取物体，且能根据物体的外形自适应调剂夹持力度，避免对物体造成破坏。在电子芯片制造过程中，对渺小芯片的搬运和组装须要高精度、轻柔的夹持操作，采取磁控智能材料4D打印的柔性夹持器可以或许精准地完成义务，进步临盆效力和产品德量。

　　借助4D打印，科学家可以设计一个用湿度响应型智能水凝胶材料制成的花朵模型。在打印时，设定好花瓣的初始外形和在特定湿度下的变形规矩。当把这个花朵模型放置在潮湿情况中，花瓣就会按照预设的法度榜样逐渐展开，仿佛一朵真正的花朵在绽放。这种对物体变形过程的精准控制，是4D打印的核心肠点。

　　跟着人们对智能穿戴设备需求的赓续增长，4D打印技巧为该范畴注入了新活力。传统的智能穿戴设备往往在舒适性和个性化方面存在不足，而4D打印技巧可以根据每小我的身材特点和应用需求，定制具有独特功能的智能穿戴产品。例如，4D打印的智能服装可以采取外形记忆聚合物或水凝胶等材料，当人体出汗或体温升高时，服装可以或许主动调节透气性和湿度，保持穿戴的舒适感。同时，这种智能服装还可以集成各类传感器和电子元件，实现与人体的及时交互，如监测心率、血压等心理指标，并将数据传输到手机等设备上。此外，4D 打印的可穿戴设备还具有自修复功能，当设备受到稍微破坏时，可以或许在必定前提下主动修复，延长应用寿命。

　　成长前景十分广阔

　　尽管4D打印取得了明显进展，但今朝仍面对一些技巧挑衅。起首，智能材料的机能还有待进一步进步。例如，外形记忆合金的响应速度和记忆精度还不克不及完全知足一些高端应用的需求；水凝胶在力学机能方面相对较弱，限制了其在一些承载请求较高范畴的应用。其次，4D打印的工艺和设备还不敷成熟，打印精度、速度和材料兼容性等方面还须要进一步优化，以实现更复杂、更高效的打印过程。再次，对物体变形过程的精确控制和编程也须要更先辈的算法和软件支撑。

　　在航空航天范畴，4D打印正带来革命性的变革。制造传统的航空部件须要大年夜量的加工工序和昂扬的成本，并且在太空中，复杂的情况变更对部件的机能提出了极高的请求。4D打印技巧可以或许制造出具有自适应才能的航空部件。例如，飞机机翼的蒙皮可以采取4D打印制造，应用外形记忆合金或智能复合伙料。当飞机在不合的飞翔高度和速度下，机翼蒙皮可以或许根据空气动力学的变更主动调剂外形，优化机翼的升力和阻力，从而降低燃油消费，进步飞翔效力。

　　同时，因为智能材料价格昂贵以及打印设备和工艺的复杂性，4D打印技巧成本较高。昂扬成本限制了其在大年夜范围临盆中的应用，今朝重要集中于高端范畴和定制化产品。若要实现广泛应用需降低成本、进步临盆效力并实现范围化临盆，这须要材料科学、制造工艺、主动化技巧等多范畴协同立异，开辟更经济高效的智能材料和打印技巧。

　　尽管面对诸多挑衅，但4D打印技巧的将来成长前景依然十分广阔。以北京交通大年夜学Rheobot实验室为例，该实验室成功研制出全球首台桌面级4D打印机并在2024年中关村论坛时代宣布。经由过程自立研发的软硬件，这台4D打印机可以实现对体素单位的可视化磁畴偏向编程，初学者也可以在5～10分钟内设计并制造出本身的4D打印作品，大年夜大年夜缩短了智能材料与4D打印技巧的研发时光，有助于4D打印技巧的进一步应用拓展。跟着材料科学、人工智能、机械人技巧等相干范畴的赓续进步，4D打印将赓续完美和成长。将来，4D打印有望实现更复杂、更智能的物体系体例造，从微不雅的生物组织到宏不雅的建筑构造，都将成为应用范畴。同时,4D打印与其他新兴技巧,如人工智能、物联网等的融合，将创造出更多新的应用处景，推动各行业的数字化、智能化转型。

　　作为一种具有前瞻性的立异技巧，4D打印技巧正在改变我们对制造的认知。它以时光为维度，付与物体智能和生命，为各个范畴带来前所未有的机会和挑衅。信赖在不久的将来，4D打印技巧将走进日常生活，为我们创造加倍便捷、智能、美好的将来。

　　《光亮日报》（2025年02月13日 16版）

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