文/ 杨苏妮、苗祥瑞 by Yang Suni,Miao Xiangrui（西南大学、西安交通大学）

一、4D打印技术的发展历程

1.3D打印技术的出现

3D打印也被称为增材制造技术，发端于20世纪80年代后期，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。3D打印技术具有快速成型任意复杂、个性化产品的能力，目前在工业界得到了广泛应用。在艺术领域，3D打印技术使雕塑艺术创作的可提前预知性成为可能，同时使雕塑艺术创作尤其是写实雕塑创作变得更加简单、快捷、准确，可以说3D打印技术从材料、工艺、认知等多维度赋予了雕塑艺术新的表现语言。3D打印技术在雕塑艺术创作中的应用已有较多文献论述，近年来兴起的智能材料4D打印技术在雕塑艺术创作领域及其对雕塑艺术的冲击、影响和目前潜在的问题还有待学者探究。

2.4D打印技术应运而生

2013年2月26日，在美国加利福尼亚州举行的TED2013会议上，来自麻省理工学院的S.Tibbits等研究者将3D打印的水凝胶线状材料置于水中，随着时间的推移，材料在形状上发生改变，就此，4D打印概念应运而生①，引起了学术界和工业界的广泛关注。

4D打印是在3D打印技术的基础上增加了时间维度，是3D打印和智能材料结合产生的一种新的制造技术。4D打印的产品或结构的形状、功能、性能、质地、色彩等在外部环境刺激（如光、电、热、PH、磁场等）下会随着时间的推移而改变，相比于3D打印结构具有自组装、自适应、自变形、自感知等特性②。4D打印与3D打印技术大致相同，只是在材料、工艺上有所区别。迄今，4D打印技术利用的材料主要有形状记忆高分子、形状记忆合金、液晶弹性体和水凝胶等智能材料③。例如：哈佛大学的Lewis等采用4D打印技术创造了水凝胶“花瓣”作品④（图1）所示，在溶剂作用下该作品材料各向异性膨胀，内部力学失配发生变形，作品可以“逼真”地再现花瓣的动态变化；新加坡科技设计大学Ding等学者采用形状记忆聚合物4D打印技术打印了“花朵”作品⑤（图2A），在外部光（或热）刺激作用下，打印的“花朵”可以在开放和闭合之间循环切换，仿佛一朵有“生命”的花；中国科学技术大学的Cao等学者采用弹性材料与磁性颗粒结合4D打印制作了一只蝴蝶形状的作品⑥，通过控制电磁铁产生变换磁场，作品展现“翩翩起舞”姿态（图2B）。利用智能材料4D打印技术的独特特性进行创作，可以让艺术家突破技术、材质等的限制，充分发挥想象，自如地创造出极具个性的雕塑艺术作品。同时，4D打印的雕塑作品拥有动态、智能、多变和独特个性的新型艺术表现形式，可称之为“智能雕塑”。相比于3D打印，4D打印的“智能雕塑”不呆板、不僵硬，富有生命、情感和灵气，展现出前所未有的雕塑语言魅力和表现形式。目前4D打印在雕塑艺术创作中的应用已经引起了国内外艺术家的关注和注意⑦，艺术家们称之为艺术的新“生命力”或者艺术材料的“智能觉醒”。那么，4D打印如何赋能雕塑艺术创作？

图1 4D打印水凝胶“花瓣”作品随时间推移形态演化

图2 4D打印技术创作的作品：（A）盛开的花和（B）起舞的蝴蝶

二、4D打印技术赋能雕塑艺术创作

1.拓展创作方法

目前智能材料4D打印技术已经被应用在艺术创作领域。如美国Nervous System Studio早在2014年就打印了世界上首件“智能裙”作品，这是一件由三角形和连接点组成的布料纤维裙，它可以根据穿戴者的体形进行自我塑型，同时还能够自适应环境变化，使之完美地贴合穿戴者的身体；巴西艺术家G.Requena采用传感器捕捉人的情绪，并将其转为数字模型，最后利用智能材料4D打印技术创作了首件带有人类爱之情感的艺术品⑦。4D打印技术的发展拓展了艺术家的创作手段，使现代雕塑艺术创作摆脱了传统雕塑创作方式的束缚，艺术家们可以利用跨学科的创新方法或创作技法进行创作，从传统雕塑繁琐的制作模式中解放出来，把繁杂的实现过程交给科技（如4D打印），让艺术家将更多的时间投入到思考艺术创作上。传统的雕塑材料通常是黄土、油泥、石头、木头等材料，这些材料在创作时需要艺术家大量的体力和精力投入，而4D打印技术则将这一过程交给了计算机和机械设备，无需投入大量的体力。此外，4D打印技术还可以缩短雕塑作品制作的时间和实现作品效果的预先研判，艺术家可以利用4D打印快速成型的特性，快速制作出作品，实际感受作品的表达效果，以便后续进一步改进。作为21世纪的艺术创作者，需要创新发展符合时代发展的艺术道路，仅靠精湛的泥塑能力是不够的，还需要跟随时代发展，掌握新的技术和技能，并将其应用到作品创作中来。艺术家也可以将4D打印技术与传统泥塑手段结合，充分发挥4D打印在时间维度的技术特性。

2.丰富雕塑语言

雕塑艺术作为一种创作方式多元化的艺术，可以利用4D打印技术在艺术作品中实现作品的动态化展示，赋予作品新的功能、特性、形式等属性，从而增添作品的趣味性和吸引力。在利用4D打印技术进行创作时，相较于艺术家使用各种传统泥塑工具，创作者需要转变创作思路，根据4D打印的技术特性进行艺术创作，并充分发挥打印技术特点（自变形、自组装、自适应等）在雕塑艺术创作中的优势，创作出更多传统泥塑手法无法得到的作品，展现出新技术在艺术创作领域的独特魅力。比如采用不同的打印材料（如高分子聚合物、水凝胶、记忆材料）和刺激形式可以带来不同的表达效果；采用不同的打印工艺可以获得不同的纹理、结构特征等。新西兰艺术家Nicole Hone采用水凝胶材料4D打印技术，充分利用水凝胶材质特性，创作了未来水生植物系列作品《Hydrophytes》，（图3）所示，该作品将植物纤细的纹理结构、柔软透明的质地展现得淋漓尽致，同时作品具有生命的动态特性。然而在传统泥塑中因为材料不具柔韧、透明等特质，很难达到真实植物叶片的效果，而采用4D打印技术效果更胜一筹。此外，4D打印技术可以将数字雕塑和互动媒体装置等结合起来表现复杂或抽象的艺术作品，可以将过去“死”的雕塑转变为“活”的智能雕塑。

图3 Nicole Hone的未来水生植物系列作品《Hydrophytes》

采用何种表现形式更好地表达艺术作品是创作的关键，即使是同一件作品，运用不同的制作技术、不同的材料等呈现的艺术作品形式、艺术作品价值不尽相同。4D打印材料的物理形态、化学性能等方面的千差万别，使雕塑材料、雕塑语言、艺术精神、表现手法得到了丰富，尤其是在装饰雕塑和抽象雕塑方面，4D打印技术能够突破传统创作的限制，赋予雕塑艺术全新的充满时代特征的生命力，从而孕育出新的雕塑语言、雕塑形式。

三、4D打印技术在雕塑创作中面临的问题

4D打印雕塑的核心是将传统雕塑作品数字化、动态化、智能化，它可以帮助解决传统雕塑模具翻制等烦琐的问题，它可以使传统僵硬的雕塑变得灵动、智能、有生命力，呈现与科技相结合的艺术美。但目前4D打印技术的研究正处于发展阶段，技术工艺成熟度有待进一步提高⑧，4D打印用的智能材料也比较少且昂贵。目前主流使用的材料有形状记忆高分子、形状记忆合金和水凝胶等智能材料，这些材料配方比较复杂，这也意味着艺术家们需要具备更高的科技水平和技术能力，才能够将智能材料4D打印技术应用于雕塑艺术创作中。另外，4D打印技术必须依赖外界刺激源，目前广泛使用的刺激源有光、热、电、磁、PH、水、溶剂等，这些刺激形式必然会影响雕塑艺术的展示，这需要艺术家们具备更高的创造性和想象力，才能够充分发挥智能材料4D打印技术的潜力，创造出更加复杂和多样化的作品。此外，常用的4D打印用形状记忆类材料记忆的形状相对比较简单且变形时间短暂，难以实现非常复杂的形状创作，对于实现“随心所欲”的艺术创作还有一定的难度，亟需通过艺术、材料、机械、制造等多学科的交叉融合来进行攻克。当下，科学与艺术之间还存在严重的壁垒，科学家和艺术家在思维上存在较大差异，这一差异也是4D打印技术在艺术发展中面临的问题。

四、结语

4D打印独特的技术特性，在创作理念、创作思维、表现形式上对雕塑艺术创作产生着较大的影响。4D打印将会催生雕塑创作的新范式（智能化、多元化、多样化），并丰富雕塑表现形式与雕塑语言，推动传统雕塑的发展。同时，雕塑艺术也将拓展4D打印技术的应用空间，二者相互促进。诚然，目前4D打印技术仍处于蓬勃发展阶段，打印材料、工艺和刺激方式都不成熟。随着新技术的不断创新研究，未来4D打印技术将会影响雕塑艺术创作的形式和表现手法。作为艺术创作者应当敏锐洞察新技术带来的革命性进步，看到新技术为艺术创作发展带来的新方向，在传统雕塑创作的基础上尝试新的表现语言，为雕塑艺术创作带来新的探索。

注释：

①S.Tibbits.4D printing: multi-material shape change[J].Archit.Design,2014,84(1),116-121.

② F.Momeni,M.M.H.N.Seyed,X.Liu,et al.A review of 4D printing[J].Mater.&Des.,2017,122,42-79.

③赵先锋,汤朋飞,史红艳等.4D打印技术研究与应用进展[J].华南理工大学学报(自然科学版),2021,49(03),34-46+54.

④ A.S.Gladman,E.A.Matsumoto,R.G.Nuzzo,et al.Biomimetic 4D printing[J].Nat.Mater.,2016,15(4),413-418.

⑤ Z.Ding,C.Yuan,X.Peng,et al.Direct 4D printing via active composite materials[J].Sci.Adv.,2017,3(4),e1602890.

⑥ X.Cao,S.Xuan,S.Sun,et al.3D printing magnetic actuators for biomimetic applications[J].ACS Appl.Mater.Interfaces,2021,13(25),30127-30136.

⑦ 谭力勤.4D打印艺术中的智能觉醒[J].画刊,2019(11),78-82.

⑧ X.Kuang,D.J.Roach,J.Wu,et al.Advances in 4D printing: materials and applications[J].Adv.Funct.Mater.,2019,29(2),1805290.