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4D打印的概念來自于今年2月26日在加利福尼亞舉行的TED（科技、娛樂、設計）大會。大會上，麻省理工學院自我組裝實驗室的斯凱拉·蒂比茨（SkylarTibbit）向觀眾們演示了這一神奇的技術。
4D打印技術的核心是“自我組裝”。按照斯凱拉·蒂比茨的解釋，自我組裝是一種把各個無序的零部件組成一個有序的結構的過程，這一切都只通過材料自身的相互作用來完成。
怎樣才能使材料自我組裝？這需要特殊的材料以及使材料發(fā)生改變的介質。斯凱拉·蒂比茨說，可以使用被動式能源作為介質，比如熱力、抖動、氣壓、重力、磁力等。同時也需要設計得非常巧妙的交互方式，而且這些交互方式可以糾錯并讓已成型的物體改變狀態(tài)。
斯凱拉·蒂比茨演示了一段材料自動變形組裝的視頻。把一條用多種材料打印出來的鏈子浸在水里，它自我折疊成了字母M.I.T（美國麻省理工學院）。在另外一個演示里，一條鏈子浸在水池里后，它自動折疊變成了一個三維結構的立方體，沒有任何人力的影響。在這里，使得材料完成自我組裝的介質就是水。
這些演示簡單闡釋了4D打印的概念：同樣是利用多種材料進行三維打印，但比起三維打印多了一種能力，就是變形。“一旦從車床上下來，這些不同的零部件就可以直接自發(fā)地變成其他的形狀，就像是沒有電線或者馬達驅動的機器人”。
斯凱拉·蒂比茨介紹，他們正在與Autodesk（歐特克）合作開發(fā)一款ProjectCyborg軟件，可以模擬自我組裝行為，并且優(yōu)化某些部件在何時折疊變形的設計。“最重要的是，我們可以利用同樣的軟件設計納米級的自我組裝系統(tǒng)，以及人類生活中的自我組裝系統(tǒng)。”
用于極限環(huán)境下的建造
斯凱拉·蒂比茨介紹，在微觀納米級上，如今的技術可以通過編程使物理和生物材料改變形狀和屬性。有一款名為cadnano的軟件可以用來設計各種三維物體，比如納米機器人或藥物傳輸系統(tǒng)，以及利用DNA自我組裝各種功能結構。
但是在宏觀的人類社會生活中，還有很多問題沒有被這些納米級技術解決，最顯著的是在建筑業(yè)和制造業(yè)。這些行業(yè)存在效率低下、能源消耗巨大、人工技能需求過多等問題，而自動組裝技術可以在這些行業(yè)引發(fā)革命。
比如在鋪設管道方面，4D打印技術就大有可為。斯凱拉·蒂比茨說，目前的水管都是固定容積、固定流量的，而且還要使用昂貴的水泵和水閥。人們把它們埋在地底下，如果有任何變動，比如環(huán)境變化、地基移動或者需求改變，就得從頭再來，把它們挖出來再換新的。
但是如果能夠應用4D打印技術，就可以省去不少麻煩。斯凱拉·蒂比茨透露，目前他們正與波士頓Geosyntec公司合作，開發(fā)一種新的管道模板。“想象一下如果水管可以膨脹或者收縮來改變容積、改變流量，甚至可以自己起伏蠕動來傳輸水，這就不需要昂貴的水泵或者水閥了，這是一個完全可程序化和自我調節(jié)的管道。”
斯凱拉·蒂比茨介紹，他所在的“自我組裝實驗室”致力于為實際生產環(huán)境開發(fā)可程序化的材料，而有的在短期內就能得到應用，其中之一就是在太空等極限環(huán)境下：他們正在為太空環(huán)境設計可以完全重置和自我組裝的結構，可以自我轉化成各種功能強大的系統(tǒng)。
不過，華中科技大學材料科學與工程學院副院長、中國3D打印技術產業(yè)聯盟第一副理事長史玉升對它并不看好。他說，4D打印技術仍停留在研發(fā)階段，尚不具備大規(guī)模應用的可能，而它傳入國內的更像是一個神秘的概念。
“在3D打印尚受到技術和材料等因素的制約，還未轉化為真正的產業(yè)應用的當前，4D打印概念依然很縹渺。”史玉升說。
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