从性格化的珠宝饰品到丰富的航空零部件，3D打印显展现了雄伟的造造力和行使潜力。然而，科技的物色永无终点，一种比3D打印更具打破性的本领——4D打印，正寂然兴盛。它正在3D打印的根源上融入了时分维度，付与物体“自我变形”和“自我拼装”的奇特才气，为改日创造带来无穷大概。
3D打印完毕后，物体的形势便固定下来。而4D打印则正在此根源上引入了时分维度，打印出的物体能跟着时分、处境变动而转移形势、职能或效用。简陋来说，3D打印造造的是静态物体，4D打印造造的是肖似“性命”的动态智能构件，它们能对四周处境做出智能相应。
借帮4D打印，科学家可能打算一个用湿度相应型智能水凝胶资料造成的花朵模子。正在打印时，设定好花瓣的初始形势和正在特定湿度下的变形法则。当把这个花朵模子安插正在湿润处境中，花瓣就会遵照预设的序次逐步张开，似乎一朵真正的花朵正在绽放。这种对物体变形流程的精准支配，是4D打印的焦点所正在。
完成4D打印依赖于智能资料和编程打算。智能资料是一类对处境刺激，比如温度、湿度、磁场、电场等，拥有感知和相应才气的资料。正在4D打印中，常用的智能资料有形势回顾合金、形势回顾咸集物、磁控智能资料、智能水凝胶等。以形势回顾合金为例，它正在低温下可能变形，当温度升高到特定值时，会连忙克复到原本的形势。
4D打印将这些智能资料与策动机辅帮打算与创造本领相纠合，通过对资料正在分别区域的漫衍、构造举办精准打算，并编写相应的“序次”，就能支配物体正在分别时分、分别处境下的变动形式。
形势回顾合金：金属的“回顾妖术”。形势回顾合金是4D打印中紧急的资料之一，个中最具代表性的是镍钛合金。它拥有特有的晶体构造，正在分别温度下会发作相变。正在低温的马氏体相时，合金容易变形，而当温度升高到奥氏体相改革温度以上时，合金会连忙克复到高温相时的形势。正在4D打印流程中，本领职员遵循打算需求，精准支配形势回顾合金正在分别区域的漫衍与构造，纠合编程设定的温度变动要求，完成对物体变形流程的精准调控。比如，正在创造丰富的航空航天零部件时，诈骗形势回顾合金正在高温下克复预设形势的特质，可完成零部件的自拼装和自适当调节，大大降低创造精度与效能，同时淘汰零部件数目和重量，提拔满堂职能。
形势回顾咸集物：塑料的智能变身。形势回顾咸集物品种繁多，本钱相对较低，且易于加工成形。它的形势回顾效应源于其内部的分子链构造。当受到表界刺激时，分子链的构象发作变动，从而完成形势的转移。正在生物医学周围，形势回顾咸集物有着雄伟的行使潜力。比如，可降解的形势回顾咸集物造成的血管支架，正在低温下可能被压缩成轻细的形势，通过导管轻松送入血管病变部位。来到指定地位后，跟着体温的效用，支架会克复到原本的形势，撑开渺幼的血管，而且正在完毕任务后逐步降解，避免了二次手术取出的障碍。
磁控智能资料：改日的软体呆板人。磁控智能资料是4D打印资料家族中的紧急成员，正在航空航天、生物医疗等多个周围显展现特有的行使价钱。这类资料紧要网罗磁性流体、磁流变弹性体等，它们由咸集物或有机溶剂构成的基体和匀称分袂正在个中的微/纳米磁性颗粒构成。正在磁场的效用下，磁性颗粒会连忙陈列酿成特定的构造，从而使资料的力学职能，如刚度、阻尼等，发作明显变动。
软体呆板人是一种新型优柔呆板人，可能适当各式非构造化处境，与人类的交互也更和平。磁控智能资料拥有相应速率速、支配精度高的特色，磁控智能资料正在软体呆板人中的行使使其可能模仿生物的丰富运动。比如步武章鱼运动的软体呆板人，通过对分别部位磁控智能资料施加分别强度和目标的磁场，可能完成触手的弯曲、伸张和抓握等手脚，正在海洋探测、水下支持等周围拥有宽大的行使远景。正在这一方面，北京交通大学团队自立研发的环球首个磁控流变呆板人以至可能步武单细胞生物阿米巴虫的伪足变形运动，改日希望行使于血液轮回肿瘤细胞的缉捕与清杀。
智能水凝胶：遇水“变形记”。水凝胶是一种亲水性的高分子汇集资料，可能摄取洪量水分并维系肯定的形势，正在4D打印中的行使紧要基于这种资料所拥有的溶胀和裁减特质。分其余水凝胶对分其余处境身分（如pH值、离子强度等）有分其余相应。正在药物控释周围，水凝胶造成的微球可能遵循体内处境的变动开释药物。当微球处于肿瘤微处境（平常pH值较低）时，水凝胶会发作裁减，将包裹正在个中的抗癌药物平缓开释出来，完成精准疗养，淘汰对寻常结构的欺侮。
正在航空航天周围，4D打印正带来革命性的革新。创造古代的航空部件须要洪量的加工工序和振奋的本钱，况且正在太空中，丰富的处境变动对部件的职能提出了极高的请求。4D打印本领可能创造出拥有自适当才气的航空部件。比如，飞机机翼的蒙皮可能采用4D打印创造，应用形势回顾合金或智能复合资料。当飞机正在分其余飞翔高度和速率下，机翼蒙皮可能遵循氛围动力学的变动自愿调节形势，优化机翼的升力和阻力，从而下降燃油耗费，降低飞翔效能。
正在太空周围，4D打印的可折叠构造拥有雄伟上风。正在发射阶段，航天器的部件可能被折叠成紧凑的形势，省俭空间，下降发射本钱。进入太空后，这些部件可能正在特定的处境刺激下自愿张开并拼装成所需的形势，如太阳能电池板、天线等。这不单淘汰了太空拼装的难度和危急，还降低了航天器的牢靠性和可爱护性。2021年，我国发射的“天问一号”探测器借帮形势回顾咸集物构造，告成完毕了中国国旗的可控动态张开。这个张开机构由哈尔滨工业大学团队自立打算并研造，使我国成为寰宇上首个将形势回顾咸集物智能构造行使于深空探测工程的国度。
正在生物医学周围，4D打印的行使为医疗本领的进展带来新的曙光。正在结构工程方面，科学家们诈骗4D打印创造拥有生物活性的支架。这些支架不单拥有三维的多孔构造，有利于细胞的黏附、发展和增殖，还能跟着细胞的发展和结构的修复而发作形势和力学职能的变动，为结构的再生供应理思的微处境。比如，打印的骨结构支架可能遵循骨骼的发展境况逐程序节本身的力学职能，鼓励新骨的酿成。正在性格化医疗方面，4D打印更是显展现其特有的上风。大夫可能遵循患者的整个病情和身体特色，定造4D打印的医疗工具。比如，为患有天赋性心脏病的儿童打印性格化的心脏瓣膜，瓣膜可能跟着心脏的跳动和发展而自适表地调节形势和效用，降低疗养结果。另表，4D打印的药物递送编造也能完成精准的药物开释，遵循体内分别部位的需乞降时分节点，精准支配药物的开释量，降低药物的疗效，淘汰副效用。
正在柔性夹持周围，4D打印也显展现特有的行使价钱。正在工业临蓐中，古代刚性夹持用具正在面临形势作恶则、质地优柔或易碎的物品时，容易酿成毁伤。4D打印诈骗智能资料造造的柔性夹持器则能很好地办理这一题目。比如，采用形势回顾咸集物创造的柔性夹持器，正在低温下拥有肯定的柔韧性，可能轻松包裹住被夹持物体。当温度升高时，夹持器会遵照预设序次收紧，稳定地抓取物体，且能遵循物体的形势自适当调节夹持力度，避免对物体酿成损坏。正在电子芯片创造流程中，对细微芯片的搬运和拼装须要高精度、柔柔的夹持操作，采用磁控智能资料4D打印的柔性夹持器可能精准地完毕职司，降低临蓐效能和产物格料。
跟着人们对智能穿着装备需求的络续加添，4D打印本领为该周围注入了新生气。古代的智能穿着装备往往正在适意性和性格化方面存正在亏空，而4D打印本领可能遵循每个其余身体特色和应用需求，定造拥有特有用用的智能穿着产物。比如，4D打印的智能装束可能采用形势回顾咸集物或水凝胶等资料，当人体出汗或体温升高时，装束可能自愿治疗透气性和湿度，维系衣着的适意感。同时，这种智能装束还可能集成各式传感器和电子元件，完成与人体的及时交互，如监测心率、血压等心理目标，并将数据传输得手机等装备上。另表，4D 打印的可穿着装备还拥有自修复效用，当装备受到微幼损坏时，可能正在肯定要求下自愿修复，延伸应用寿命。
尽量4D打印获得了明显发扬，但目前仍面对极少本领寻事。最初，智能资料的职能尚有待进一步降低。比如，形势回顾合金的相应速率和回顾精度还不行一律知足极少高端行使的需求；水凝胶正在力学职能方面相对较弱，节造了其正在极少承载请求较高周围的行使。其次，4D打印的工艺和装备还不敷成熟，打印精度、速率和资料兼容性等方面还须要进一步优化，以完成更丰富、更高效的打印流程。再次，对物体变形流程的精准支配和编程也须要更优秀的算法和软件维持。
同时，由于智能资料价钱腾贵以及打印装备和工艺的丰富性，4D打印本领本钱较高。振奋本钱节造了其正在大周围临蓐中的行使，目前紧要荟萃于高端周围和定造化产物。若要完成渊博行使需下降本钱、降低临蓐效能并完成周围化临蓐，这须要资料科学、创造工艺、自愿化本领等多周围协同改进，开荒更经济高效的智能资料和打印本领。
尽量面对诸多寻事，但4D打印本领的改日进展远景仍然相等宽大。以北京交通大学Rheobot试验室为例，该试验室告成研造出环球首台桌面级4D打印机并正在2024年中合村论坛时候揭橥。通过自立研发的软硬件，这台4D打印机可能完成对体素单位的可视化磁畴目标编程，入门者也可能正在5～10分钟内打算并造造出本身的4D打印作品，大大缩短了智能资料与4D打印本领的研发时分，有帮于4D打印本领的进一步行使拓展。跟着资料科学、人为智能、呆板人本领等合连周围的络续前进，4D打印将络续完美和进展。改日，4D打印希望完成更丰富、更智能的物体创造，从微观的生物结构到宏观的开发构造，都将成为行使周围。同时,4D打印与其他新兴本领,如人为智能、物联网等的统一，将造造出更多新的行使场景，饱励各行业的数字化、智能化转型。
行为一种拥有前瞻性的改进本领，4D打印本领正正在转移咱们对创造的认知。它以时分为维度，付与物体智能和性命，为各个周围带来史无前例的机会和寻事。置信正在不久的他日，4D打印本领将走进平日生涯，为咱们造造越发便捷、智能、俊美的改日。
（作家：李振坤，系北京交通大学呆板与电子支配工程学院副熏陶、京津冀国度本领改进核心智能智造研讨所改进师）
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