从理念到实践 4D打印如魔术般引人瞩目

导读：真空中放置的平板，受外力刺激后会自动“变形”成沙发；地下管道可以随着外部环境变化而扩大或缩小，以调整容量和流量，甚至还能在受损时自行维修或在报废时分解……这些似乎只有在动画片中才能见到的魔幻情景，借助4D打印技术将变为现实。

在2015国际消费类电子产品展览会（CES）上，美国“神经系统”设计工作室推出了一款用4D技术打印出的运动学连衣裙。这款裙子有3212个“零件”，用4709个“接环”连接在一起，一经推出便引起人们对4D打印技术的关注。

4D打印作为最新的技术，发展现状及前景到底如何呢？赛迪智库研究显示，受当前3D打印机、3D打印材料以及技术成熟程度等因素影响，4D打印目前还停留在研发和试验阶段，尚不具备大规模应用的可能。但我国相关研究机构同样需要积极布局，并行跟进这项有着广阔应用前景的技术。

4D打印产品惊艳亮相

真空中放置的平板，受外力刺激后会自动“变形”成沙发；地下管道可以随着外部环境变化而扩大或缩小，以调整容量和流量，甚至还能在受损时自行维修或在报废时分解……这些似乎只有在动画片中才能见到的魔幻情景，借助4D打印技术将变为现实。

2013年年初，美国麻省理工学院自组装实验室主任斯凯拉·蒂比茨公开展示了4D打印的技术成果——将一根看似普通的材料部件（线条）放入水中，随着时间的变化，线条在没有任何外接设备参与的情况下，经过一系列的盘曲折叠，最终形成了一个正四面体。

蒂比茨解释说，他是通过在材料部件中嵌入预设编码程序，使之按照预先设定的结构和外观模式自行组装完成。

专家表示，与传统的3D打印技术相比，4D打印技术在其基础上引入了第四维，即指产品被制造后仍能在特定时间改变形状和功能，实现自我组建，从而使产品具有“自组织”功能和动态演变能力。具体来说，4D打印是在3D打印过程中采用“自我变形”材料，在计算机辅助设计的导引下，经过层层堆积生成零部件的加工工艺，被打印物体可以随着时间的推移而在形态上发生变化。

事实上，4D打印基本沿袭了3D打印的工艺原理，只是在所采用的打印材料上进行了创新，即在3D打印的概念中加入了时间元素，从而由过去的三维立体打印扩展为四维打印。

在对4D打印技术持乐观态度的人士看来，这项技术将是一项“左右世界未来制造业发展”的革命性技术突破，有可能彻底颠覆传统的制造业；而保守者则认为，4D打印还只停留在概念领域，目前看不出其工业价值。

应用前景广阔

“虽然4D打印尚处于试验阶段，但作为一项颠覆性技术，它将创造出＂可被编程的世界＂，将对传统制造业产生革命性影响。”“神经系统”设计工作室创意主管杰茜卡·罗森克兰茨说，未来这项技术将具有广阔的应用前景。

赛迪智库研究显示，4D打印可以利用可编程材料制造带有传感特点的复合材料，生产根据环境动态演变的产品。例如，把可以改变对电磁波反映特性的纳米材料嵌入到打印对象中，当遇到不同的可见光，材料的颜色随之改变，具有显著的自我感应能力。

同时，4D打印技术还可制造出功能形式多变的模块组件，通过组合可编程材料，改变产品的形状和功能。未来，大型建筑物等也可呈现出生命特质，人们将能够以可编程材料为基础，通过编程使这些材料模块自动堆叠形成各种形状的建筑物，并具备嵌入式电力装备、管道等配套设施。

业内认为，4D打印将引发未来制造行业的变革，使数字信息转化为真实的产品成为可能。4D打印的制造者们只需下载产品设计程序，就可通过采集和编程制造出所需产品；4D打印所造成的工业排放几乎可以忽略不计，在真正意义上实现绿色生产，从而开辟制造业可持续发展的新途径，并改变传统的制造业模式，

虽然应用广阔，但4D打印存在的风险也不容忽视。例如，由于4D打印实物可以自由变化，可变形机翼可能被黑客攻击而导致坠机；4D打印的建筑物可能由于一条错误指令而坍塌。再如，由于4D打印产品能够自由转化为其他形态，对知识产权保护提出了新的挑战，如何确定知识产权边界，怎样追溯动态产品的风险承担者等。未来，可能需要更加复杂的知识产权保护机制。

4D打印产业化尚需时日

虽然4D打印吸引各方关注，但业内人士普遍认为，受制于4D打印技术本身以及所用耗材，4D打印即使是在其技术源头美国，目前也还处于概念期和试验阶段，距离实际应用还有一个较长的过程，想要真正实现产业化尚需时日。

赛迪智库装备工业研究所所长左世全表示，无论是3D打印还是4D打印，采用新型打印材料都是其取得革命性突破的关键。目前，我国在打印材料方面与国际先进水平相比差距还很大，应加快打印材料的研发及产业化应用，为3D或者4D打印产业的健康可持续发展提供支撑条件。

赛迪智库研究显示，尽管4D打印技术的研究起源于发达国家，但我国在相关领域与世界前沿科技的差距目前处于历史最小时期，已经有能力并行跟进这项有着广阔应用前景的技术。专家建议，我国应着眼于未来十年、二十年以至更长时期的制造业变革大势，把4D打印作为国家重大前沿科技进行前瞻部署，鼓励有研究基础的高校和科研院所积极跟进4D打印技术最新研究进展，开展材料科学、生物科学、工业设计、信息编码等理论和基础研究，做好充分的知识储备；鼓励有研发条件的高新技术企业与研究机构合作，实验性地开展4D打印的产品应用研发制造。