4D打印：有“生命”的智造
宁若杨
2025年03月17日 07:13
李振坤
《光明日报》（ 2025年02月13日 16版）从个性化的珠宝饰品到复杂的航空零部件，3D打印展现出了巨大的创造力和应用潜力。然而，科技的探索永无止境，一种比3D打印更具突破性的技术——4D打印，正悄然兴起。它在3D打印的基础上融入了时间维度，赋予物体“自我变形”和“自我组装”的神奇能力，为未来制造带来无限可能。
3D打印完成后，物体的形状便固定下来。而4D打印则在此基础上引入了时间维度，打印出的物体能随着时间、环境变化而改变形状、性能或功能。简单来说，3D打印制作的是静态物体，4D打印创造的是类似“生命”的动态智能构件，它们能对周围环境做出智能响应。
4D打印的材料“密码”
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，设定好花瓣的初始形状和在特定湿度下的变形规则。当把这个花朵模型放置在潮湿环境中，花瓣就会按照预设的程序逐渐展开，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打印的核心所在。
实现4D打印依赖于智能材料和编程设计。智能材料是一类对环境刺激，例如温度、湿度、磁场、电场等，具有感知和响应能力的材料。在4D打印中，常用的智能材料有形状记忆合金、形状记忆聚合物、磁控智能材料、智能水凝胶等。以形状记忆合金为例，它在低温下可以变形，当温度升高到特定值时，会迅速恢复到原来的形状。
4D打印将这些智能材料与计算机辅助设计与制造技术相结合，通过对材料在不同区域的分布、结构进行精确设计，并编写相应的“程序”，就能控制物体在不同时间、不同环境下的变化方式。
形状记忆合金：金属的“记忆魔法”。形状记忆合金是4D打印中重要的材料之一，其中最具代表性的是镍钛合金。它具有独特的晶体结构，在不同温度下会发生相变。在低温的马氏体相时，合金容易变形，而当温度升高到奥氏体相转变温度以上时，合金会迅速恢复到高温相时的形状。在4D打印过程中，技术人员根据设计需求，精确控制形状记忆合金在不同区域的分布与结构，结合编程设定的温度变化条件，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，利用形状记忆合金在高温下恢复预设形状的特性，可实现零部件的自组装和自适应调整，大大提高制造精度与效率，同时减少零部件数量和重量，提升整体性能。
形状记忆聚合物：塑料的智能变身。形状记忆聚合物种类繁多，成本相对较低，且易于加工成形。它的形状记忆效应源于其内部的分子链结构。当受到外界刺激时，分子链的构象发生变化，从而实现形状的改变。在生物医学领域，形状记忆聚合物有着巨大的应用潜力。例如，可降解的形状记忆聚合物制成的血管支架，在低温下可以被压缩成细小的形状，通过导管轻松送入血管病变部位。到达指定位置后，随着体温的作用，支架会恢复到原来的形状，撑开狭窄的血管，并且在完成使命后逐渐降解，避免了二次手术取出的麻烦。
磁控智能材料：未来的软体机器人。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、生物医疗等多个领域展现出独特的应用价值。这类材料主要包括磁性流体、磁流变弹性体等，它们由聚合物或有机溶剂组成的基体和均匀分散在其中的微/纳米磁性颗粒组成。在磁场的作用下，磁性颗粒会迅速排列形成特定的结构，从而使材料的力学性能，如刚度、阻尼等，发生显著变化。
软体机器人是一种新型柔软机器人，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。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器人中的应用使其能够模拟生物的复杂运动。例如模仿章鱼运动的软体机器人，通过对不同部位磁控智能材料施加不同强度和方向的磁场，可以实现触手的弯曲、伸展和抓握等动作，在海洋探测、水下救援等领域具有广阔的应用前景。在这一方面，北京交通大学团队自主研发的全球首个磁控流变机器人甚至可以模仿单细胞生物阿米巴虫的伪足变形运动，未来有望应用于血液循环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网络材料，能够吸收大量水分并保持一定的形状，在4D打印中的应用主要基于这种材料所具有的溶胀和收缩特性。不同的水凝胶对不同的环境因素（如pH值、离子强度等）有不同的响应。在药物控释领域，水凝胶制成的微球可以根据体内环境的变化释放药物。当微球处于肿瘤微环境（通常pH值较低）时，水凝胶会发生收缩，将包裹在其中的抗癌药物缓慢释放出来，实现精准治疗，减少对正常组织的伤害。
给航空航天、医疗、智能穿戴等领域带来变革
在航空航天领域，4D打印正带来革命性的变革。制造传统的航空部件需要大量的加工工序和高昂的成本，而且在太空中，复杂的环境变化对部件的性能提出了极高的要求。4D打印技术能够制造出具有自适应能力的航空部件。例如，飞机机翼的蒙皮可以采用4D打印制造，使用形状记忆合金或智能复合材料。当飞机在不同的飞行高度和速度下，机翼蒙皮能够根据空气动力学的变化自动调整形状，优化机翼的升力和阻力，从而降低燃油消耗，提高飞行效率。
在太空领域，4D打印的可折叠结构具有巨大优势。在发射阶段，航天器的部件可以被折叠成紧凑的形状，节省空间，降低发射成本。进入太空后，这些部件能够在特定的环境刺激下自动展开并组装成所需的形状，如太阳能电池板、天线等。这不仅减少了太空组装的难度和风险，还提高了航天器的可靠性和可维护性。2021年，我国发射的“天问一号”探测器借助形状记忆聚合物结构，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学团队自主设计并研制，使我国成为世界上首个将形状记忆聚合物智能结构应用于深空探测工程的国家。
在生物医学领域，4D打印的应用为医疗技术的发展带来新的曙光。在组织工程方面，科学家们利用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结构，有利于细胞的黏附、生长和增殖，还能随着细胞的生长和组织的修复而发生形状和力学性能的变化，为组织的再生提供理想的微环境。例如，打印的骨组织支架可以根据骨骼的生长情况逐渐调整自身的力学性能，促进新骨的形成。在个性化医疗方面，4D打印更是展现出其独特的优势。医生可以根据患者的具体病情和身体特征，定制4D打印的医疗器械。例如，为患有先天性心脏病的儿童打印个性化的心脏瓣膜，瓣膜能够随着心脏的跳动和生长而自适应地调整形状和功能，提高治疗效果。此外，4D打印的药物递送系统也能实现精准的药物释放，根据体内不同部位的需求和时间节点，精确控制药物的释放量，提高药物的疗效，减少副作用。
在柔性夹持领域，4D打印也展现出独特的应用价值。在工业生产中，传统刚性夹持工具在面对形状不规则、质地柔软或易碎的物品时，容易造成损伤。4D打印利用智能材料制作的柔性夹持器则能很好地解决这一问题。例如，采用形状记忆聚合物制造的柔性夹持器，在低温下具有一定的柔韧性，可以轻松包裹住被夹持物体。当温度升高时，夹持器会按照预设程序收紧，牢固地抓取物体，且能根据物体的形状自适应调整夹持力度，避免对物体造成损坏。在电子芯片制造过程中，对微小芯片的搬运和组装需要高精度、轻柔的夹持操作，采用磁控智能材料4D打印的柔性夹持器能够精准地完成任务，提高生产效率和产品质量。
随着人们对智能穿戴设备需求的不断增加，4D打印技术为该领域注入了新活力。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打印技术可以根据每个人的身体特征和使用需求，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用形状记忆聚合物或水凝胶等材料，当人体出汗或体温升高时，服装能够自动调节透气性和湿度，保持穿着的舒适感。同时，这种智能服装还可以集成各种传感器和电子元件，实现与人体的实时交互，如监测心率、血压等生理指标，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，当设备受到轻微损坏时，能够在一定条件下自动修复，延长使用寿命。
发展前景十分广阔
尽管4D打印取得了显著进展，但目前仍面临一些技术挑战。首先，智能材料的性能还有待进一步提高。例如，形状记忆合金的响应速度和记忆精度还不能完全满足一些高端应用的需求；水凝胶在力学性能方面相对较弱，限制了其在一些承载要求较高领域的应用。其次，4D打印的工艺和设备还不够成熟，打印精度、速度和材料兼容性等方面还需要进一步优化，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需要更先进的算法和软件支持。
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打印技术成本较高。高昂成本限制了其在大规模生产中的应用，目前主要集中于高端领域和定制化产品。若要实现广泛应用需降低成本、提高生产效率并实现规模化生产，这需要材料科学、制造工艺、自动化技术等多领域协同创新，开发更经济高效的智能材料和打印技术。
尽管面临诸多挑战，但4D打印技术的未来发展前景依然十分广阔。以北京交通大学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年中关村论坛期间发布。通过自主研发的软硬件，这台4D打印机可以实现对体素单元的可视化磁畴方向编程，初学者也可以在5～10分钟内设计并制作出自己的4D打印作品，大大缩短了智能材料与4D打印技术的研发时间，有助于4D打印技术的进一步应用拓展。随着材料科学、人工智能、机器人技术等相关领域的不断进步，4D打印将不断完善和发展。未来，4D打印有望实现更复杂、更智能的物体制造，从微观的生物组织到宏观的建筑结构，都将成为应用领域。同时,4D打印与其他新兴技术,如人工智能、物联网等的融合，将创造出更多新的应用场景，推动各行业的数字化、智能化转型。
作为一种具有前瞻性的创新技术，4D打印技术正在改变我们对制造的认知。它以时间为维度，赋予物体智能和生命，为各个领域带来前所未有的机遇和挑战。相信在不久的将来，4D打印技术将走进日常生活，为我们创造更加便捷、智能、美好的未来。
（作者：李振坤，系北京交通大学机械与电子控制工程学院副教授、京津冀国家技术创新中心智能智造研究所创新师）