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 4D打印是指用可編程物質（通常為智能復合材料）作為打印材料，通過3D 打印的方式打?。ㄖ圃欤┏鋈S物體。該物體能隨著時間推移，在預定的激勵或刺激（如遇水、冷卻或者通電、光照、加熱、加壓）下，自我變換形狀、物理屬性（如結構、形態、體積、密度、色彩、亮度、彈性、硬度、導電性、電磁特性和光學特性等）或功能等。

 與傳統的制造方式相比，4D打印除了擁有3D打印的一些主要優勢外，還具備很多其他重要特性。首先，它能直接把設計以編程的方式內置到打印材料當中，使物體在打印后，從一種形態變成另一種形態，為物體提供了更好的設計自由度，實現了物體的自我變化和制造。其次，它能將多種可能的修正要素預設在打印材料的方案中，讓物體在打印成型后，根據人們的想法驅動物體實現自我變形或對其完善和修正。第三，它能在進一步簡化物體生產制造過程的同時，使打印出的物體先具備極為的簡單形狀、結構和功能，然后通過外部激勵或刺激，讓它再變化為所需要的復雜的形狀、結構和功能。第四，它能使部件與物體本身結構的難易程度在制作時變得不再那么重要，并可在其中嵌入驅動、邏輯和感知等能力，讓物體變形組裝時無需設置額外的設備，大大減少了人力、物力和時間等成本。第五，它能激發工程師和設計人員的想象力，并設計出多種多功能的動態物體，之后再進行物質編程進行打印制造，促進了“物質程序化”這一造物方式成為現實。最后，它能通過更有效的編程設計，將打印物體的數字文件由互聯網發送到世界任何地點，克服了物體生產制造的空間限制，更好地實現了多樣化物體的全球化數字制造。

一、4D打印的發展現狀

 正因為具有上述特性，4D打印自被提出以來，迅速得到了全球廣泛的關注，展示了它在工業、建筑、航天、醫療、藝術、娛樂、服裝、軍事等諸多領域巨大的應用潛力，并在世界很多國家都取得了十分重要的進展。

 作為開山鼻祖，美國這幾年始終致力于4D打印的研究和應用。其很多高校、科研院所和公司企業，都在對4D打印進行廣泛和深入的開發，

有了很多令人矚目的重要成果。麻省理工學院的自動組裝實驗室，繼2013年3月成功地把3D打印的繩子放置在水中，使其自我彎折成“MIT”

（麻省理工學院的英文縮寫）后，2014年1月又實現了讓“MIT”自動變成“SAL”（其自動組裝實驗室的英文縮寫），并使打印出的一塊平板，按事先設計好的組裝方案形變為了一個立方體；2014年11月，它還實現了讓更多材質，比如木頭、碳纖維、橡膠/塑料等一些材料擁有“自行組裝”的特性；2015年1月，該實驗室曾利用模型設計軟件設定的時間和組合樣式，讓連接在一起的2279塊以3D打印方式打印出來的三角形模塊，在水中慢慢自動合并變形成了一件鏤空的4D連衣裙，這種裙子會根據穿戴者的型體自我調整、變化甚至造型，一定程度解決了“量體裁衣”的問題；不久，該實驗室又打印出了世界上第一雙4D打印鞋子，它可依照人腳的形狀和大小動態調節，而且富有彈性的材料可讓制鞋的成本縮減到最小。2015年6月，西北大學國際納米技術研究所在納米級4D打印機研制方面跨出了一大步，使打印出來的對象可根據納米材料上的編碼信息，進行轉換或者變形并執行若干其它功能，從而促進了智能復合材料的開發和拓展了4D打印的應用。2015年10月，喬治亞技術學院和新加坡科技大學，聯合開發出了一種對熱量敏感的形狀記憶高分子敏感4D打印材料，它與其他不同材料集合后打印出的物體，在溫度發生變化時，能按照程序改變成另一種形狀；例如，把一個打印出的細長片插入鎖的鑰匙孔中，它立即就能根據溫度在孔中伸縮變形和硬化，預示著有可能變成一把真正的鑰匙---如此以來，其外形就可能有著視使用環境不同而改變的特性，使這種材料有望在無人航空器和潛水器以及醫療器械、人體器官支架中使用。2015年11月，哈佛大學劉易斯研究團隊，把從木漿中提取的纖維素纖維與丙烯酰胺水凝膠（遇水會膨脹擴大的一種膠狀物）混合在一起，加入熒光染料后制成了一種新型4D打印材料，它比此前麻省理工學院由剛性和柔性材料組合的打印材料性能更好，有利于編程制作復雜物體，因為它包含許多微小纖維的膠狀物質，硬度及水溶性都能根據不同排列方式發生變化，在“編碼”后將打印出的物體變為更加復雜的形狀---兩朵形狀一樣的花，它們被浸沒到水里之后，五個花瓣卷曲的方向不同，外形和色彩都與真正的蘭花非常接近；該團隊現正在探索4D打印在醫學植入等方面的潛在應用，包括最終培育出新器官的組織和受損組織的替代品---它們先像一張平板紙一樣被打印出來，然后自行變成人們需要的不同形狀，并且這種打印材料還能進一步被改進，以便使它可應對不同的環境變化，讓打印出的物體根據冷、熱、電流或生物情況“隨機應變”。2015年12月，美國科技巨頭惠普公司宣布，在推動4D打印機研發的同時，它開發了擁有4D打印的一種微流控材料，這種材料具有特定的導電屬性，可用于新型電子器件的4D打印制作。

 除美國外，其他國家在4D 打印領域的研發也在不斷向前推進。2014年1月，新加坡技術與設計大學聯合美國科羅拉多大學波德分校，將

擁有形狀記憶能力的聚合纖維混入傳統3D打印所使用的復合材料中，制造出可以像“變形金剛”一樣變換出各種形狀的新型智能復合材料。

2014年3月，西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室開發出了形狀記憶聚合物，它具有形狀記憶功能，只要通過調節環境溫度，其智

能結構就會隨著時間發生形狀或結構的變化，從而能通過4D打印，把它用于微創手術器械多自由度操作臂的制造中。2015年4月，澳大利亞臥龍崗大學的科研人員開發出一款兼容4D打印的水凝膠，它材質堅硬而且能根據水溫不斷改變形狀，用它打印出的一個水閥，能根據水溫自動調節粗細來實時改變通水量，未來可能在城市水網改造、醫學器官再造和航天器等方面發揮作用。2015年10月，以色列耶路撒冷希伯來大學的研究人員，將4D打印引入到了柔性電子領域，同時還用一臺PLA 3D打印機，實現了對形狀記憶聚合物的打印，它能以比通常使用的3D打印機更高的分辨率打印出物體。2016年3月，德國汽車制造商寶馬公司嘗試將4D打印用于汽車零部件制造，打印車輪的一種柔性覆蓋板，它能根據環境調整大小，發揮了非常出色的空氣動力學性能。今年上半年，媒體還陸續報道了德國開發出了一款專門用于4D打印的打印機，澳大利亞、日本和歐洲一些國家也在商業性的4D打印機和智能復合材料方面取得了不同程度的進展。