沈臻懿

从3D到4D打印技术的飞跃

提到3D打印技术，大部分人都已经不再陌生。目前，3D打印的发展速度可谓一日千里，且极大地改变了人们的生活。但说起4D打印技术，不少人或许就颇感陌生了。

3D打印，可以看成是某个物体的逐层制造。4D中多的这一个“D”，是物体继长、宽、高之后的第四维度。也就是说，除了拥有3D打印技术的“长宽高”三维结构外，4D打印技术还增加了“时间”的第四维度概念。通过3D打印技术制造出的产品，在没有人为干预的前提下是无法改变的，并一直保持着原状。但基于4D打印技术的产品，会对其所处的环境发生反应，进而随着时间的推移而发生改变。4D中的第四个“D”，使得打印产品不再是静止的，而是赋予了其智能化与随时间变化的神奇魔力。这种具有神奇魔力的产品，不仅能够记住自身最初的形状，当其身处某种特定的环境条件下，还能回应环境刺激，并恢复成最初的样子。

美国麻省理工学院的一支研究团队，就在实验室条件下尝试开拓着4D打印的应用前景。该研究团队设计出了一款4D镂空连衫裙，能够根据穿着者的身材进行自我调节、变化，即使是在运动过程中，也能实时贴合穿着者的形体。这在一定程度上解决了“量体裁衣”的困扰。同时，世界上第一双4D鞋子也由该研究团队设计问世。这种鞋子虽然在外观上并不像4D打印技术那般玄幻，但其可以根据穿着者脚的大小和形状进行动态调整，不仅合脚，更能有效降低制鞋成本。

从某种程度上说，3D打印出的物体，仍然没有脱离传统意义的产品概念。但4D打印出的物体，可以看成是一种可“编程”的新型产品。这种产品不再仅仅以固定形态存在，其在一定条件下，可根据先期设定的时间，就产品的形状等方面进行相应变化。这就意味着4D打印技术已然颠覆了传统的造物形式，且具有了“全新的造物逻辑”。

不同于传统造物过程先模拟后制造，或边造物边调整模拟效果的方式，4D打印是通过软、硬件之间的无缝衔接，将产品设计通过打印技术嵌入可变形的智能化材料中。只要在特定激活条件或时间下，无须人为干预，即可按照设计时的方案进行自我“编辑”。

进军生物医疗的4D打印

4D打印技术创造的智能化结构，可以从某种三维结构变为另一种三维结构，也可以在一维或二维结构的基础上，向三维结构转变。多维结构间的随意变形，为4D打印技术在生物医疗领域中的深度应用带来了无限的可能。

心脏支架植入术，无疑是当前治疗冠心病、心肌梗死的最佳诊疗方案之一。其通过介入方法，将冠状动脉狭窄的部分扩张后，放入金属支架来对狭窄部位进行支撑，从而令狭窄血管壁向外扩张，并保证血液流通顺畅。当心脏支架遇到4D打印技术后，一种全新的医疗植入物即将于生物医疗领域璀璨登场。

4D打印技术在心脏支架植入术中的大显身手，可进一步降低病人手术可能面临的风险。该技术的核心，即是利用4D打印制造出带有记忆功能的生物心脏支架。在此基础上，科学家还需要对带有记忆功能的支架材料予以精准控制，从而令其在一定温度和压力下，能够“变身”为预先设定的形态。在手术时，只需通过血液循环系统注射带有设计方案的智能化材料，这种材料抵达心脏指定部位后，即会按先前设定的方案来自我组装并形成支架。

相较于传统金属支架，4D打印制造出的支架，在疏通了血管之后，还能渐渐分解成水和二氧化碳等物质，最终彻底消失。其不仅可以防止血管再度变得狭窄，还可以避免支架血栓等问题的产生。

对于女性来说，乳腺癌无疑是“令人绝望”的存在，患者为了摆脱其困扰，往往不得不付出乳房切除的代价。随着4D打印技术在生物医疗领域中的介入，这一现状将被彻底改变。未来，乳腺癌患者在经历手术后，不仅能够切除肿瘤，还能够保留完整的乳房及其生理功能。这一技术的关键，就是利用4D技术打印出一种带有“时间维度”的可降解生物材料填充物。这种生物材料为多孔状网格结构，与人体组织之间极为相容，且具有良好的支撑性能和弹性。在对患者的乳腺癌肿瘤进行切除和对腋窝淋巴结进行清理后，就需要在缺失的乳腺组织中填入带有预先设定方案的4D打印可降解生物填充材料。由于该“智能化”材料带有“时间”这一第四维度，其进入患者乳房后，即会按事先设置的时间逐步降解。在此过程中，患者自身的纤维组织将不断生长至填充物中，并最终随着填充物的降解、消失而完全取代填充物。这一技术的应用，不仅不会让患者体内遗留异物，且能让患者再次拥有自然、健康的乳房。除了乳腺癌之外，4D打印技术所制造的可降解生物材料，还可应用于其他人体组织缺失的手术填充。

4D打印出的“超材料”

4D打印、材料科学和力学的融合，诞生出了一种名为“超材料”的智能化材料。“超材料”一词，来源于希腊语中的“meta”，意为“更高”。简单来说，“超材料”就是自然界中所没有的，且不同寻常的材料。目前，科学家已基于4D打印技术，研发出了一种轻质柔性材料，其可以用于防灾减震、安全防护以及柔性机械等设备，将在安全、健康等领域大放异彩。

这种智能化的材料，既可以像钢铁一般坚硬，又能够像海绵一样柔软，且可以随意改变自身形状。换句话说，该4D打印超材料具有可调特性。当温度处在室温条件和90摄氏度之间时，材料刚度可调节范围超过了100倍，从而可极大限度实现减震功能。此外，在加热条件下，4D打印超材料可恢复为原始形状。

除减震效能外，4D打印超材料还可用于飞机或者无人机机翼。基于超材料所制造出的机翼，能够使其在飞行过程中针对温度、气压或者其他环境条件的变化来做出相应的回应，进而实现空气阻力的最大化或最小化，从而通过“自动”改变机翼形状来获得最佳性能。

受到章鱼触角的仿生学启示，由灵活、柔软材料制成的柔性机械设备，可基于任务性质和所处环境，來调整相应的刚度或灵活性。前述理论在4D打印超材料的介入下，已然在微型植入式医疗设备领域有着极为光明的应用前景。多自由度的操作臂，是微创技术发展的一大难点。利用4D打印超材料所制造的诊断、治疗植入器械，在植入的过程中可以暂时变得较为柔软且灵活，其可以像章鱼触手一般，通过食道、肛门等人体自然腔道，进入人体，并在人体内随意改变行进方向。这一功能在便于微创植入的同时，也大大减少了患者因为植入活动而引发的痛苦与不适感。

与此同时，4D打印超材料在安全领域也有着不凡的表现。研究人员发现，前述材料具有的温度和记忆特性，极为适用于车辆上的调控热敏元件。当前，车辆温控器多利用石蜡热胀冷缩的原理来进行控制，往往存在加工易融化、动作滞后等问题，也影响了行车安全性。若利用4D打印超材料来实现对温控器的调节，则可完美规避前述问题。轮胎爆胎，尤其是高速行进过程中的车辆爆胎，往往会造成极为严重的安全事故。为了增强行车的安全性，科学家基于4D打印超材料的特性，尝试将其应用于车辆轮胎，其所具有的超弹性特点，可有效避免轮胎发生爆胎的风险。

值得关注的是，横空出世的4D打印技术，目前大多处于实验室阶段。前述种种设想如果要走出实验室，并大规模普及，尚需要突破诸多瓶颈难题。但值得期待的是，4D打印技术理念将给传统设计与制造领域带来巨大影响，其应用前景一片广阔。

编辑：黄灵  yeshzhwu@foxmail.com