還記得漫畫《七龍珠》中的“萬能膠囊”嗎？一粒隨身攜帶的小藥丸，只需扔出去，“嘭”的一聲后，就能瞬間變形成五花八門的現(xiàn)代化工具：摩托車、飛船甚至房屋。
這個異想天開的場景或許將在不久的未來成為現(xiàn)實——借助最新的4D打印技術(shù)，科學(xué)家能給物體添加“時間”的緯度，讓它們變得擁有“智能記憶功能”，在特定條件下自動“變形”為預(yù)先設(shè)定的形態(tài)。
“不用遙控的機器人”
今年年初在美國加州舉辦的TED（技術(shù)、娛樂、設(shè)計的英文縮寫）大會上。麻省理工學(xué)院（MIT）自動化實驗室創(chuàng)始人，28歲的建筑設(shè)計師、計算機科學(xué)家斯凱拉?蒂比斯表演了一個技驚四座的“魔術(shù)”。
他拿出兩根貌似普通的長繩扔進水中，繩子很快就發(fā)生了不可思議的變化：第一根繩子像有生命一般，慢慢地卷曲、變形，然后自動形成了字母“MIT”的字樣。另一根繩子則似乎在做機械運動，折疊成多個90度直角，最后形成了一個規(guī)整的立方體框架。
整個過程完全沒有人工的參與，看起來就像是材料擁有了自我意識，在進行自我加工變形。
那么，這個“魔術(shù)”究竟是如何做到的？實際上，初看無特別之處的長繩是帶有關(guān)節(jié)的4D打印復(fù)合物，其主要由兩種材料合成。一種是高分子聚合物，在水中可以延展到自身原來長度的兩倍；
另外一種材料則可以在水中保持固定形態(tài)。借助設(shè)計軟件和3D打印機，蒂比斯將可延展和不可延展的兩種材料混合打印到一縷繩線中，只要將它放入熱水浸泡，用不了多久就可以彎曲變形成預(yù)先設(shè)定的形狀。
“4D打印本質(zhì)上其實就是利用復(fù)合材料進行的3D打印，通過這種方式增加了一項功能，那就是變形?！钡俦人拐f：“這就像是機器人，只是沒有了電線和發(fā)動機?！?/p>
換句話說，4D打印是在原有3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，賦予材料自動變形的能力，研究人員通過軟件完成建模，將想要的性狀輸入材料當(dāng)中，變形材料就會按照預(yù)先的設(shè)定完成變形。目前的4D打印需要外部能量來刺激內(nèi)在的變化，例如TED大會展示的模型就用水來作為觸發(fā)條件。
有人注意到，繩子的變形看上去很像記憶金屬的功能。事實上，兩者的基本原理相似。作為一種特殊的合金，記憶金屬在外力作用下會產(chǎn)生變形，當(dāng)把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復(fù)原來的形狀。但多半只能在兩種狀態(tài)間切換，而且其長度、寬度等規(guī)格受到很大的限制。4D技術(shù)生產(chǎn)的自動變形材料則更加高科技，能在軟件控制下完成多種形態(tài)變化。
人們相信，與3D打印相比，4D打印能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新產(chǎn)品。如果說前者讓人們隨心所欲地創(chuàng)造各種外形的物體，后者則更進一步，讓物體的材質(zhì)發(fā)生顛覆性革命。
美軍為何熱衷投資4D打印？
距離4D打印技術(shù)的首次亮相僅僅半年時間，美國陸軍就宣布，已拿出一筆85.5萬美元的資金用于開發(fā)4D打印技術(shù)。軍方將贈款授予了美國匹茲堡大學(xué)、哈佛大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)的3個研究小組。
如果說3D打印技術(shù)方興未艾，那么4D打印則實實在在處于概念階段，美國軍方為何就已迫不及待地對此領(lǐng)域進行投資？
“如果你擁有一種能多次改變其屬性和形狀的材料，那么它就能有多種用途?！鳖I(lǐng)頭4D打印研究的哈佛大學(xué)教授詹妮弗?劉易斯指出。這些新材料可用于研發(fā)適應(yīng)環(huán)境的仿生組件，根據(jù)外部刺激來重新改變它們的形狀和功能。這能夠代替那些固定的，或者僅僅只能改變形狀的組件。
想象一下，一件用4D打印技術(shù)制成的作戰(zhàn)服，它能在不同的環(huán)境下變換出不同的迷彩色，甚至可能通過折射光線來讓士兵們隱身?；蛘咭环N能根據(jù)環(huán)境改變屬性的鋼材，它能大大提高坦克的性能。
美國匹茲堡大學(xué)教授和首席研究員安娜?巴拉斯稱：“我們希望設(shè)計出具有適應(yīng)性的仿生復(fù)合材料，能根據(jù)外部刺激改變其形狀、屬性和功能，而不是靜態(tài)的或簡單改變其形狀的材料?！?/p>
此外，美國海軍現(xiàn)已開始在軍艦上測試?yán)?D打印技術(shù)制造的彈藥和無人駕駛飛機（UAV）。但這項技術(shù)推廣應(yīng)用的一大障礙是組裝。打印出3D組件本身并不困難，但要將它們組裝到一起則需要大量人力。而4D打印技術(shù)則有望通過特殊的打印技術(shù)和材質(zhì)制造出能自動組裝的部件。
未來，利用4D打印技術(shù)有望開發(fā)出類似“萬能膠囊”一樣的帳篷，平時可折疊存放，只要接觸水便膨脹變成一頂完整的帳篷；還可能開發(fā)出能夠自動修補的防御工事、橋梁、公路，其會彌補自身裂痕。
假如宜家家具可以自我組裝
顯然，4D打印的理念潛力無限，絕非僅僅適用于軍工領(lǐng)域，從日用消費品到生物醫(yī)學(xué)實踐，從航空航天工業(yè)到體育界，可謂無所不包。
蒂比斯說：“你可以設(shè)想隨運動員和環(huán)境的改變而改變的服裝和鞋子，輪胎可根據(jù)不同路況而變形，消費者就不用為不同路面購買不同型號的輪胎了?！彼慕K極目標(biāo)是將這項技術(shù)運用到宏觀層面上：利用4D打印技術(shù)，降低制造業(yè)的能源和勞動力成本。
這一技術(shù)的運用，可以讓物體實現(xiàn)在地下管道，深海、太空等難以接觸到的地方進行自我組裝。同樣也能應(yīng)用到家具、自行車、汽車、甚至建筑物的制造上。
設(shè)想4D打印技術(shù)應(yīng)用到地下排水系統(tǒng)，4D打印機可以建造出收縮自如的“智能”排水管道。當(dāng)颶風(fēng)來臨時，管道可以變得更大更利于排水，當(dāng)洪峰過去后，又縮回原來的大小。這些管道還可以根據(jù)需要彎曲、扭動、變形，而不會破裂。在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，這種管道甚至可以自我組裝和修復(fù)。同樣，道路橋梁的修建如果用到智能材料，都將意味著大幅度節(jié)省城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的人力物力。
還有業(yè)內(nèi)專家們相信，4D打印技術(shù)的問世可能預(yù)示著自我組裝家具時代的來臨。美國軟件開發(fā)商、參與4D打印技術(shù)開發(fā)的歐特克公司正在對此進行進一步的研究。該公司首席研究專家卡洛?奧古恩稱：“想象一下這樣的場景，你在宜家買到一把椅子，然后把它放到你的屋子里，最關(guān)鍵的是，這把椅子會自我組裝?！?/p>
可在人體內(nèi)“大展拳腳”
4D打印技術(shù)不僅能在極端條件下發(fā)揮作用，也同樣能在微小的空間下大展拳腳，比如人體內(nèi)，它們將成為新型的人體植入材料甚至替代器官。利用其自動改變形狀的特性，4D打印技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的潛力不可限量。
已有生物材料公司參與開發(fā)帶有記憶功能的生物心臟支架。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域傳統(tǒng)的心臟支架通常由記憶金屬制成，在通過血管被植入設(shè)定的位置后，自動撐開承擔(dān)擴張血管通道的使命。但問題在于，金屬支架無法降解，除非人為將支架取出，否則它將永遠(yuǎn)留在體內(nèi)，由此將帶來諸多并發(fā)癥和不利影響。
而如果用4D技術(shù)研制新型的生物心臟支架，它們同樣可變形，首先以極其細(xì)微的形態(tài)進入體內(nèi)，當(dāng)體內(nèi)條件合適時則展開變形成可以撐開的空心支架。由于并非金屬制成，它還可能具備可降解功能。當(dāng)涂抹了藥物的支架在預(yù)定位置完成擴張和疏通血管的使命后，就在血液中自動降解。
同樣，利用了4D打印技術(shù)打印出的替代人體器官，如關(guān)節(jié)，軟骨，也將擁有更多仿生的特質(zhì)，最大限度接近人體自身器官。
還需克服兩大瓶頸
為更好地促進4D打印技術(shù)的發(fā)展，麻省理工學(xué)院新成立了自組裝實驗室，和3D打印公司合作研究4D打印需要的軟件。
不過包括一線研發(fā)人員在內(nèi)的業(yè)內(nèi)人士坦言，當(dāng)前4D打印還面臨兩大瓶頸，首先是實現(xiàn)4D打印所需的智能材料有待進一步開發(fā)。目前4D打印技術(shù)使用的材料只能感應(yīng)水的刺激，但未來希望能找到可以感受光、聲、熱甚至?xí)r間的新型智能材料。
第二個問題和3D打印面臨的障礙一樣：打印機的個頭太小，能制造出最大的物體不超過沙發(fā)。如果想打印大型工程，比如一棟房子必須使用大型材料，要有高精度且可靠性較高的打印機，但目前來看，這種打印機的造價太高。
蒂比斯和他的團隊稱，目前的4D打印機只能打印繩子之類的條狀物體，今后他們要設(shè)計打印出“片狀”物體、然后是立體物體。循序漸進地實現(xiàn)一維到二維，二維到三維，三維到更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的變化。
事實上，3D打印機從構(gòu)想到廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活，前后只用了20年的時間。有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來，4D打印亦將成為人類世界不可或缺的一項技術(shù)。
也許，真實的4D打印技術(shù)不會像《七龍珠》或《變形金剛》那樣，“嘭”的一聲變出一個龐然大物。但我們不妨稍稍展開聯(lián)想：在4D打印的未來，世界將變得能智能和人性化：人們的著裝不僅時尚，還能自動根據(jù)氣溫變化調(diào)整保暖和透氣性；他們腳下的道路會自動吸收雨水；
房屋的外墻能隨著四季改變特性，在太空和深海，探測器能自動打印出新的科研設(shè)備；在人體內(nèi)，4D技術(shù)打印的替代器官在盡職工作；而那時的家用智能打印機幾乎已走進每家每戶，將普通人天馬行空的想象“打印”進現(xiàn)實。
