原题目：4D打印：有“性命”的智造 从特性化的珠宝饰品到庞杂的航空零部件，3D打印展示出了宏大的发明力跟利用潜力。但是，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，正悄悄崛起。它在3D打印的基本上融入了时光维度，付与物体“自我变形”跟“自我组装”的神奇才能，为将来制作带来无穷可能。 3D打印实现后，物体的外形便牢固上去。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、情况变更而转变外形、机能或功效。简略来说，3D打印制造的是静态物体，4D打印发明的是相似“性命”的静态智能构件，它们能对四周情况做出智能呼应。 4D打印的资料“暗码” 借助4D打印，迷信家能够计划一个用湿度呼应型智能水凝胶资料制成的花朵模子。在打印时，设定好花瓣的初始外形跟在特定湿度下的变形规矩。当把这个花朵模子放置在湿润情况中，花瓣就会依照预设的顺序逐步开展，好像一朵真正的花朵在绽开。这种对物体变形进程的精准把持，是4D打印的中心地点。 实现4D打印依附于智能资料跟编程计划。智能资料是一类对情况安慰，比方温度、湿度、磁场、电场等，存在感知跟呼应才能的资料。在4D打印中，常用的智能资料无形状影象合金、外形影象聚合物、磁控智能资料、智能水凝胶等。以外形影象合金为例，它在高温下能够变形，当温度降低到特定值时，会敏捷规复到本来的外形。 4D打印将这些智能资料与盘算机帮助计划与制作技巧相联合，经由过程对资料在差别地区的散布、构造停止准确计划，并编写响应的“顺序”，就能把持物体在差别时光、差别情况下的变更方法。 外形影象合金：金属的“影象邪术”。外形影象合金是4D打印中主要的资料之一，此中最具代表性的是镍钛合金。它存在奇特的晶体构造，在差别温度下会产生相变。在高温的马氏体相时，合金轻易变形，而当温度降低到奥氏体相改变温度以上时，合金会敏捷规复到低温相时的外形。在4D打印进程中，技巧职员依据计划需要，准确把持外形影象合金在差别地区的散布与构造，联合编程设定的温度变更前提，实现对物体变形进程的精准调控。比方，在制作庞杂的航空航天零部件时，应用外形影象合金在低温下规复预设外形的特征，可实现零部件的自组装跟自顺应调剂，年夜年夜进步制作精度与效力，同时增加零部件数目跟分量，晋升团体机能。 外形影象聚合物：塑料的智能变身。外形影象聚合物品种单一，本钱绝对较低，且易于加工成形。它的外形影象效应源于其外部的分子链构造。当遭到外界安慰时，分子链的构象产生变更，从而实现外形的转变。在生物医学范畴，外形影象聚合物有着宏大的利用潜力。比方，可降解的外形影象聚合物制成的血管支架，在高温下能够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，支架会规复到本来的外形，撑开狭小的血管，而且在实现任务后逐步降解，防止了二次手术掏出的费事。 磁控智能资料：将来的软体呆板人。磁控智能资料是4D打印资料家属中的主要成员，在航空航天、生物医疗等多个范畴展示出奇特的利用代价。这类资料重要包含磁性流体、磁流变弹性体等，它们由聚合物或无机溶剂构成的基体跟平均疏散在此中的微/纳米磁性颗粒构成。在磁场的感化下，磁性颗粒会敏捷陈列构成特定的构造，从而使资料的力学机能，如刚度、阻尼等，产生明显变更。 软体呆板人是一种新型柔嫩呆板人，可能顺应种种非构造化情况，与人类的交互也更保险。磁控智能资料存在呼应速率快、把持精度高的特色，磁控智能资料在软体呆板人中的利用使其可能模仿生物的庞杂活动。比方模拟章鱼活动的软体呆板人，经由过程对差别部位磁控智能资料施加差别强度跟偏向的磁场，能够实现触手的曲折、舒展跟抓握等举措，在大陆探测、水下救济等范畴存在辽阔的利用远景。在这一方面，北京交通年夜学团队自立研发的寰球首个磁控流变呆板人乃至能够模拟单细胞生物阿米巴虫的伪足变形活动，将来无望利用于血液轮回肿瘤细胞的捕捉与清杀。 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资料，可能接收大批水分并坚持必定的外形，在4D打印中的利用重要基于这种资料所存在的溶胀跟压缩特征。差别的水凝胶对差别的情况要素（如pH值、离子强度等）有差别的呼应。在药物控释范畴，水凝胶制成的微球能够依据体内情况的变更开释药物。当微球处于肿瘤微情况（平日pH值较低）时，水凝胶会产生压缩，将包裹在此中的抗癌药物迟缓开释出来，实现精准医治，增加对畸形构造的损害。 给航空航天、医疗、智能穿着等范畴带来变更 在航空航天范畴，4D打印正带来反动性的变更。制作传统的航空部件须要大批的加工工序跟昂扬的本钱，并且在太空中，庞杂的情况变更对部件的机能提出了极高的请求。4D打印技巧可能制作出存在自顺应才能的航空部件。比方，飞机机翼的蒙皮能够采取4D打印制作，应用外形影象合金或智能复合资料。当飞机在差别的飞翔高度跟速率下，机翼蒙皮可能依据氛围能源学的变更主动调剂外形，优化机翼的升力跟阻力，从而下降燃油耗费，进步飞翔效力。 在太空范畴，4D打印的可折叠构造存在宏大上风。在发射阶段，航天器的部件能够被折叠成紧凑的外形，节俭空间，下降发射本钱。进入太空后，这些部件可能在特定的情况安慰下主动开展并组装成所需的外形，如太阳能电池板、天线等。这不只增加了太空组装的难度跟危险，还进步了航天器的牢靠性跟可保护性。2021年，我国发射的“天问一号”探测器借助外形影象聚合物构造，胜利实现了中国国旗的可控静态开展。这个开展机构由哈尔滨产业年夜学团队自立计划并研制，使我国成为天下上首个将外形影象聚合物智能构造利用于深空探测工程的国度。 在生物医学范畴，4D打印的利用为医疗技巧的开展带来新的曙光。在构造工程方面，迷信家们应用4D打印制作存在生物活性的支架。这些支架不只存在三维的多孔构造，有利于细胞的黏附、成长跟增殖，还能跟着细胞的成长跟构造的修复而产生外形跟力学机能的变更，为构造的再生供给幻想的微情况。比方，打印的骨构造支架能够依据骨骼的成长情形逐步调剂本身的力学机能，增进新骨的构成。在特性化医疗方面，4D打印更是展示出其奇特的上风。大夫能够依据患者的详细病情跟身材特点，定制4D打印的医疗东西。比方，为患有后天性心脏病的儿童打印特性化的心脏瓣膜，瓣膜可能跟着心脏的跳动跟成长而自顺应地调剂外形跟功效，进步医治后果。别的，4D打印的药物递送体系也能实现精准的药物开释，依据体内差别部位的需要跟时光节点，准确把持药物的开释量，进步药物的疗效，增加反作用。 在柔性夹持范畴，4D打印也展示出奇特的利用代价。在产业出产中，传统刚性夹持东西在面临外形不规矩、质地柔嫩或易碎的物品时，轻易形成伤害。4D打印应用智能资料制造的柔性夹持器则能很好地处理这一成绩。比方，采取外形影象聚合物制作的柔性夹持器，在高温下存在必定的柔韧性，能够轻松包裹住被夹持物体。当温度降低时，夹持器会依照预设顺序收紧，坚固地抓取物体，且能依据物体的外形自顺应调剂夹持力度，防止对物体形成破坏。在电子芯片制作进程中，对渺小芯片的搬运跟组装须要高精度、柔柔的夹持操纵，采取磁控智能资料4D打印的柔性夹持器可能精准地实现义务，进步出产效力跟产物品质。 跟着人们对智能穿着装备需要的一直增添，4D打印技巧为该范畴注入了新活气。传统的智能穿着装备每每在舒服性跟特性化方面存在缺乏，而4D打印技巧能够依据每团体的身材特点跟应用需要，定制存在奇特功效的智能穿着产物。比方，4D打印的智能打扮能够采取外形影象聚合物或水凝胶等资料，当人体出汗或体温降低时，打扮可能主动调理透气性跟湿度，坚持衣着的舒服感。同时，这种智能打扮还能够集成种种传感器跟电子元件，实现与人体的及时交互，如监测心率、血压等心理指标，并将数据传输得手机等装备上。别的，4D 打印的可穿着装备还存在自修复功效，当装备遭到稍微破坏时，可能在必定前提下主动修复，延伸应用寿命。 开展远景非常辽阔 只管4D打印获得了明显停顿，但现在仍面对一些技巧挑衅。起首，智能资料的机能另有待进一步进步。比方，外形影象合金的呼应速率跟影象精度还不克不及完整满意一些高端利用的需要；水凝胶在力学机能方面绝对较弱，限度了其在一些承载请求较高范畴的利用。其次，4D打印的工艺跟装备还不敷成熟，打印精度、速率跟资料兼容性等方面还须要进一步优化，以实现更庞杂、更高效的打印进程。再次，对物体变形进程的准确把持跟编程也须要更进步的算法跟软件支撑。 同时，由于智能资料价钱昂贵以及打印装备跟工艺的庞杂性，4D打印技巧本钱较高。昂扬本钱限度了其在年夜范围出产中的利用，现在重要会合于高端范畴跟定制化产物。若要实现普遍利用需下降本钱、进步出产效力并实现范围化出产，这须要资料迷信、制作工艺、主动化技巧等多范畴协同翻新，开辟更经济高效的智能资料跟打印技巧。 只管面对诸多挑衅，但4D打印技巧的将来开展远景仍然非常辽阔。以北京交通年夜学Rheobot试验室为例，该试验室胜利研制出寰球首台桌面级4D打印机并在2024年中关村论坛时期宣布。经由过程自立研发的软硬件，这台4D打印机能够实现对体素单位的可视化磁畴偏向编程，初学者也能够在5～10分钟内计划并制造出本人的4D打印作品，年夜年夜收缩了智能资料与4D打印技巧的研发时光，有助于4D打印技巧的进一步利用拓展。跟着资料迷信、人工智能、呆板人技巧等相干范畴的一直提高，4D打印将一直完美跟开展。将来，4D打印无望实现更庞杂、更智能的物体系造，从微不雅的生物构造到微观的建造构造，都将成为利用范畴。同时,4D打印与其余新兴技巧,如人工智能、物联网等的融会，将发明出更多新的利用场景，推进各行业的数字化、智能化转型。 作为一种存在前瞻性的翻新技巧，4D打印技巧正在转变咱们对制作的认知。它以时光为维度，付与物体智能跟性命，为各个范畴带来史无前例的机会跟挑衅。信任在未几的未来，4D打印技巧将走进一样平常生涯，为咱们发明愈加便捷、智能、美妙的将来。 （作者：李振坤，系北京交通年夜学机器与电子把持工程学院副教学、京津冀国度技巧翻新核心智能智造研讨所翻新师） (责编：李昉、李依环) 分享让更多人看到