4D打印是一個(gè)相對(duì)較新的概念，它擴(kuò)展了3D打印的概念，通過加入時(shí)間這一維度（作為第四維）來制造能夠隨時(shí)間改變形態(tài)的物體。具體來說，4D打印是通過使用特殊的材料和設(shè)計(jì)策略，制造出能夠在受到某種刺激（如溫度、濕度、光線或其他環(huán)境因素）時(shí)自動(dòng)改變形態(tài)的物體。

以下是4D打印的主要特點(diǎn)：

智能材料：4D打印使用的是一些“智能”或“可響應(yīng)”的材料，它們能夠在受到特定刺激時(shí)改變自己的形態(tài)或性質(zhì)。

時(shí)間因素：這些物體不僅僅是在打印完成后保持靜態(tài)的。相反，它們是設(shè)計(jì)成在后續(xù)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，通常是在受到某種外部刺激時(shí)，進(jìn)行形態(tài)的變化。

多功能性：這些打印出來的物體可以根據(jù)外部環(huán)境或使用需求進(jìn)行自我調(diào)整和適應(yīng)。

4D打印的潛在應(yīng)用非常廣泛，從醫(yī)療設(shè)備、建筑、服裝，到機(jī)器人學(xué)和更多其他領(lǐng)域，它都有可能帶來巨大的變革。例如，可以設(shè)計(jì)出能夠根據(jù)天氣變化而自動(dòng)調(diào)整形態(tài)的衣物，或是能夠根據(jù)土壤濕度而調(diào)整形態(tài)的植物支撐結(jié)構(gòu)，以及能夠在體內(nèi)釋放藥物的可響應(yīng)植入物等。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，4D 打印技術(shù)正逐漸走入我們的視野。這種技術(shù)又被稱為變形系統(tǒng)，它將時(shí)間作為 3D 打印的第四維。利用這些特殊的材料，它們能夠在遇到熱、光、濕度、電流或壓力等外部因素時(shí)改變形狀或特性。設(shè)想一下，高科技紡織品根據(jù)濕度變化透氣性，或是管路系統(tǒng)能夠隨溫度波動(dòng)膨脹或收縮。盡管 4D 打印技術(shù)還在早期階段，但其潛在對(duì)眾多行業(yè)的影響是不言而喻的。為此，我們采訪了多位增材制造領(lǐng)域的權(quán)威。

醫(yī)療領(lǐng)域

傳統(tǒng)的醫(yī)療植入件受到其固定結(jié)構(gòu)的局限，而 4D 打印則打破了這一局限。因?yàn)槠渚邆渥冃蔚奶匦裕踩爰軌螂S著時(shí)間流逝與患者身體更好地融合。例如，醫(yī)生能夠制造出能擴(kuò)張和收縮的牙科植入件，以適應(yīng)患者的口腔結(jié)構(gòu)。

來自 Nissha Medical Technologies 的制造專家 Robert Jones 表示，4D 打印的潛力并不僅限于植入件。他表示：“這項(xiàng)技術(shù)可以非常精確地控制體內(nèi)藥物釋放。”研究已經(jīng)顯示，科研人員正在開發(fā)針對(duì)刺激響應(yīng)和特定藥物輸送的 4D 打印水凝膠。這種水凝膠能夠感應(yīng)患者的體溫、pH 值、血壓或某些特定酶，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和地點(diǎn)釋放藥物，對(duì)于需要實(shí)時(shí)藥物供應(yīng)的病人，這無疑是一項(xiàng)巨大的進(jìn)步。

航空航天

4D 打印在航空航天領(lǐng)域具有巨大的潛在價(jià)值。其變形部分可以使飛行器更好地適應(yīng)不同的飛行環(huán)境，從而減少風(fēng)阻、提高性能和效率。據(jù)康考迪亞大學(xué)研究，4D 打印制造的無人機(jī)翅膀能夠應(yīng)變，彎曲幅度可達(dá) 20 度，極大提高其飛行效率。此外，4D 打印材料還能助力于研發(fā)衛(wèi)星和宇宙飛船的輕盈、靈活結(jié)構(gòu)，從而降低空間探索的成本和難度。

APAPTA 的主管 Adrian Nordtomme 認(rèn)為，4D 打印不僅僅會(huì)影響航空航天行業(yè)。他提到：“利用電流，而非熱或光，作為刺激源進(jìn)行4D打印可能會(huì)帶來很大的好處。這將對(duì)汽車、航空和船舶制造行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，特別是在空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面。”

服裝行業(yè)

利用變形系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師將能制造出能夠根據(jù)環(huán)境變化和穿戴者需求進(jìn)行調(diào)整的衣物和配件。眾多研究團(tuán)隊(duì)和品牌，例如阿迪達(dá)斯，已經(jīng)開始探索 4D 打印鞋的制造。這些鞋旨在適應(yīng)每位用戶的腳型和行走習(xí)慣，從而提供卓越的舒適度和性能。運(yùn)動(dòng)員可能會(huì)因此獲得更多競(jìng)技優(yōu)勢(shì)。

Hubs 的 3D 打印專家 Robin Brock?tter 分析了 4D 打印對(duì)時(shí)尚界的潛在影響。他描述：“設(shè)想一下，一件外衣能根據(jù)冷熱調(diào)整厚度，或者戶外裝備能在人體出汗時(shí)增強(qiáng)其通風(fēng)功能。同時(shí)，4D 打印制造的連衣裙能根據(jù)穿戴者的移動(dòng)調(diào)整其紋理和形態(tài)，展現(xiàn)出動(dòng)態(tài)、多變的設(shè)計(jì)風(fēng)格。”

家具行業(yè)

4D 打印使得家具自我組裝成為現(xiàn)實(shí)。消費(fèi)者無需繁瑣的安裝步驟和工具，僅需觀察家具自我形成的過程。這種組裝方式不僅省時(shí)省力，還使得家具更加普及。為更好地理解這一概念，大家可以查看麻省理工學(xué)院關(guān)于自組裝立方體的演示視頻。

Hubs 的機(jī)械專家 Francesco Rivalta 認(rèn)為變形技術(shù)將徹底改變家具行業(yè)。他說：“這可能比平板包裝家具更具革命性。設(shè)想只需用吹風(fēng)機(jī)即可組裝成一張椅子。”

包裝領(lǐng)域

4D 打印能夠創(chuàng)造出對(duì)雨、冷熱等環(huán)境因素具有高度適應(yīng)性的包裝材料。此外，該技術(shù)還能使包裝過程自動(dòng)化。瓊斯基于自己在 Nissha Medical Technologies 的經(jīng)驗(yàn)指出：“藥品在運(yùn)輸過程中經(jīng)常面臨溫度過高或過低的問題。4D 打印制造的智能包裝能自動(dòng)調(diào)整其內(nèi)部空間來維持恒溫。”

結(jié)論

4D 打印是一個(gè)巨大的創(chuàng)新步伐。盡管它仍然處于早期研究階段，但其潛在價(jià)值已經(jīng)為眾多行業(yè)所認(rèn)可。這項(xiàng)技術(shù)預(yù)示著一個(gè)更加智能、高效的未來，將在許多領(lǐng)域中發(fā)揮其獨(dú)特之處。