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未来4D打印,会是什么样?

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或许要不了多久,利用4D打印技术,科幻电影中的场景就会逼真地发生在我们身边:一根拐杖在下雨的时候就变成了雨伞;房屋建筑可以自动“长”出屋顶、承重墙……


3D打印方兴未艾,4D打印渐行渐近。


正如智能穿戴一夜之间从科幻片走入现实,能够让打印物“活”过来的4D打印技术,有望在不久的将来改变我们的生活。


近日,由美国“神经系统”设计工作室打造的全球首件4D打印连衣裙问世。这件衣服最大的特点在于,它可以自动适应环境,即便在运动中也会时刻贴合穿戴者的身体。


“4D打印比3D打印多的一个‘D’即时间维度,4D打印物不再是静止的,而是智能和随时间变化的。”西安交通大学机械工程学院教授李涤尘告诉《中国科学报》记者,未来,4D打印技术有望利用于生物医疗器械、智能机器人等各个领域,不过,目前离大规模应用还很遥远。

    

     



       


超越3D打印的“炫”技


在两年前的美国TED大会上,计算机科学家斯凯拉·迪比茨首次通过视频向外界展示了魔术般的4D打印技术——一根奇特材质的小棍扔到水里后,慢慢扭曲变形成麻省理工学院的缩写字母“MIT”。


斯凯拉·迪比茨称,这一新技术的灵感来自于生物的自我复制,他相信机器和建筑很快也能够自我组装、复制以及修复,因为这是自然系统的内在能力。


看似很玄妙的4D打印技术其实并不神秘。按照李涤尘的解释,4D打印就是3D打印技术与智能材料性能的结合,即智能材料结构在3D打印的基础上,通过外界环境的刺激,随着时间实现自身的结构变化。


在李涤尘看来,4D打印领域的进步将更多地依赖材料本身,而非打印技术。另外,并不是说任意材料都可以被“激活”,而是需要具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性和环境适应性等的智能材料才行。


据介绍,4D打印所需要的智能材料一般包括电活性聚合物、形状记忆材料、压电材料、电磁流变体、磁致伸缩材料等。


4D打印除了对打印材料要求较高以外,还需要具备另一项非常关键的因素,那就是要有触发自我组装的“催化剂”。这一“催化剂”不一定是水,根据不同的打印材料,也有可能是光、热、声音、震动、气体,甚至是电子。


也就是说,通过软件设定好模型和时间后,在特定环境下,无需人为干预,无需通电,4D打印物便可按照事先的设计,在规定的时间内进行自我组装。


或许要不了多久,利用4D打印技术科幻电影中的场景就会逼真地发生在我们身边:一根拐杖在下雨的时候就变成了雨伞;房屋建筑可以自动“长”出屋顶、承重墙……


生物医疗领域的无穷应用


借助4D打印技术制造出的智能结构,可以发生由一维或二维结构向三维结构的变化,或者由一种三维结构变形成另一种三维结构。这种结构的随意变化也给4D打印技术的应用带来无穷的畅想,而生物医疗领域最有可能成为该炫技的主秀场。


麻省理工学院数学家丹雷维夫曾表示,4D打印有利于新型医疗植入物的发明。比如心脏支架,如果采用4D打印技术制造,将不再需要给病人做开胸手术,可通过血液循环系统注射入携带设计方案的智能材料,到达心脏指定部位后自我组装成支架。

如今,深圳光华伟业实业有限公司就正在与合作伙伴共同开发带有记忆功能的生物心脏支架。该公司董事长杨义浒表示,他们将对带有记忆功能的材料进行精确控制,使之在一定的外部条件(比如温度、压力)下,恢复预设的形态。


除此之外,多自由度操作臂是微创技术未来发展的研究难点。李涤尘表示,他们正在自主研发智能材料,并通过4D打印技术应用于多自由度操作臂的制造研究中。


“未来,手术操作臂可以像蛇一样,通过食道、肛门等人的自然腔道进入人体,并在体内任意更改方向。”李涤尘称,电极施加电压作用在智能材料上,就可以实现操作臂的多自由度弯曲和转向,从而成为一种刚柔并济的操作臂柔性控制方法。


另外,牛津大学圣安东尼学院荣誉学者纳伊夫·鲁赞曾在美国《外交》双月刊网站发文称,借助4D打印的原理,研究人员还能够利用DNA链制造出对抗癌症的纳米机器人。


从概念到现实仍需时日


不过,4D打印技术即便在大洋彼岸的美国也仅仅处于“实验室”阶段,在实现以上种种畅想之前,仍有许多瓶颈需要突破。


北京隆源自动成型系统有限公司总经理冯涛表示,目前4D打印技术主要有两个短板,一是打印机的规模太小,且缺少高精度、可靠性较高的打印机;二是人才储备短缺,全国从事3D技术的主要研究人员还不到100人,具备4D打印技能的人员就更少了。


与此同时,加工工艺、材料设计、装备制造等技术水平也都是制约4D打印技术发展的主要障碍。


李涤尘认为,由于智能材料制造工艺复杂,传统制造方法只能制造简单形状的智能材料,难以制造复杂形状的材料结构,因而严重限制了智能材料结构的发展与应用。


在他看来,4D打印主要取决于智能材料的发展,未来应研究发展多种适用于4D打印技术的智能材料,对不同外界环境激励产生响应,响应变形的形式更多样化。


受访专家普遍认为,目前4D打印技术还只是处于概念阶段,并且在未来较长的一段时间内也主要停留在试验研究阶段。不过,可以肯定的是,4D打印技术研究和发展应用将对传统机械结构设计与制造带来深远的影响,而随着4D打印智能材料的多样化,4D打印技术的应用将更加广泛。