4D打印的智造有生命

　　作者 ：李振坤（北京交通大学机械与电子操控工程学院副教授
、生命京津冀国家技能立异中心智能智造研究所立异师）。打的智

　　
。生命从个性化的打的智珠宝饰品到杂乱的航空零部件
，3D打印展示出了巨大的生命发明力和运用潜力。但是打的智
，科技的生命探究永无止境，一种比3D打印更具突破性的打的智技能——4D打印，正悄然兴起
。生命它在3D打印的打的智基础上融入了时刻维度
，赋予物体“自我变形”和“自我拼装”的生命奇特才能，为未来制作带来无限或许。打的智

流变机器人仿阿米巴虫运动示意图。作者供图 。打的智

　　3D打印完成后，生命物体的形状便固定下来 。而4D打印则在此基础上引入了时刻维度 ，打印出的物体能跟着时刻 、环境改动而改动形状 、功用或功用。简略来说，3D打印制作的是静态物体 ，4D打印发明的是相似“生命”的动态智能构件，它们能对周围环境做出智能呼应。

　　4D打印的资料“暗码”。

　　凭借4D打印，科学家能够规划一个用湿度呼应型智能水凝胶资料制成的花朵模型。在打印时，设定好花瓣的初始形状和在特定湿度下的变形规矩 。当把这个花朵模型放置在湿润环境中，花瓣就会依照预设的程序逐步打开，似乎一朵真实的花朵在开放。这种对物体变形进程的精准操控，是4D打印的中心地点。

　　完成4D打印依赖于智能资料和编程规划 。智能资料是一类对环境影响，例如温度、湿度 、磁场
、电场等，具有感知和呼应才能的资料。在4D打印中 ，常用的智能资料有形状回忆合金、形状回忆聚合物、磁控智能资料 、智能水凝胶等
。以形状回忆合金为例 ，它在低温下能够变形，当温度升高到特定值时，会敏捷康复到本来的形状
。

　　4D打印将这些智能资料与计算机辅助规划与制作技能相结合，经过对资料在不同区域的散布、结构进行准确规划 ，并编写相应的“程序”，就能操控物体在不一起刻 、不同环境下的改动方法
。

4D打印智能资料。作者供图。

4D打印智能资料。作者供图。

　　形状回忆合金 ：金属的“回忆魔法”。形状回忆合金是4D打印中重要的资料之一，其间最具代表性的是镍钛合金。它具有共同的晶体结构 ，在不同温度下会产生相变 。在低温的马氏体相时 ，合金简单变形，而当温度升高到奥氏体相改动温度以上时，合金会敏捷康复到高温相时的形状。在4D打印进程中，技能人员依据规划需求 ，准确操控形状回忆合金在不同区域的散布与结构，结合编程设定的温度改动条件
，完成对物体变形进程的精准调控。例如，在制作杂乱的航空航天零部件时 ，运用形状回忆合金在高温下康复预设形状的特性，可完成零部件的自拼装和自习惯调整，大大进步制作精度与功率，一起削减零部件数量和分量
，进步全体功用 。

　　形状回忆聚合物 ：塑料的智能变身。形状回忆聚合物品种繁复，本钱相对较低
 ，且易于加工成形。它的形状回忆效应源于其内部的分子链结构。当遭到外界影响时 ，分子链的构象产生改动，然后完成形状的改动。在生物医学范畴 ，形状回忆聚合物有着巨大的运用潜力。例如 ，可降解的形状回忆聚合物制成的血管支架，在低温下能够被压缩成细微的形状，经过导管轻松送入血管病变部位 。抵达指定方位后 ，跟着体温的作用
，支架会康复到本来的形状
，撑开狭隘的血管，并且在完成使命后逐步降解，防止了二次手术取出的费事 。

　　磁控智能资料 ：未来的软体机器人 。磁控智能资料是4D打印资料宗族中的重要成员，在航空航天、生物医疗等多个范畴展示出共同的运用价值。这类资料首要包含磁性流体
、磁流变弹性体等，它们由聚合物或有机溶剂组成的基体和均匀涣散在其间的微/纳米磁性颗粒组成 。在磁场的作用下，磁性颗粒会敏捷摆放构成特定的结构，然后使资料的力学功用 ，如刚度 、阻尼等，产生明显改动  。

4D打印制作的流变机器人概念图
 。作者供图
。

　　软体机器人是一种新式柔软机器人，能够习惯各种非结构化环境 ，与人类的交互也更安全。磁控智能资料具有呼应速度快、操控精度高的特色，磁控智能资料在软体机器人中的运用使其能够仿照生物的杂乱运动 。例如仿照章鱼运动的软体机器人 ，经过对不同部位磁控智能资料施加不同强度和方向的磁场 ，能够完成触手的曲折、扩展和抓握等动作，在海洋勘探 、水下救援等范畴具有宽广的运用远景 。在这一方面 ，北京交通大学团队自主研制的全球首个磁控流变机器人乃至能够仿照单细胞生物阿米巴虫的伪足变形运动
，未来有望运用于血液循环肿瘤细胞的捕获与清杀。

　　智能水凝胶
：遇水“变形记” 。水凝胶是一种亲水性的高分子网络资料，能够吸收很多水分并坚持必定的形状，在4D打印中的运用首要依据这种资料所具有的溶胀和缩短特性 。不同的水凝胶对不同的环境要素（如pH值、离子强度等）有不同的呼应。在药物控释范畴，水凝胶制成的微球能够依据体内环境的改动开释药物。当微球处于肿瘤微环境（一般pH值较低）时，水凝胶会产生缩短，将包裹在其间的抗癌药物缓慢开释出来，完成精准医治，削减对正常安排的损害。

　　给航空航天、医疗、智能穿戴等范畴带来革新。

　　在航空航天范畴，4D打印正带来革命性的革新。制作传统的航空部件需求很多的加工工序和昂扬的本钱，并且在太空中，杂乱的环境改动对部件的功用提出了极高的要求 。4D打印技能能够制作出具有自习惯才能的航空部件。例如
，飞机机翼的蒙皮能够选用4D打印制作，运用形状回忆合金或智能复合资料。当飞机在不同的飞翔高度和速度下，机翼蒙皮能够依据空气动力学的改动主动调整形状，优化机翼的升力和阻力 ，然后下降燃油耗费，进步飞翔功率 。

4D打印智能软体夹持体系进行柔性抓取  。作者供图。

　　在太空范畴 ，4D打印的可折叠结构具有巨大优势。在发射阶段，航天器的部件能够被折叠成紧凑的形状，节约空间，下降发射本钱。进入太空后，这些部件能够在特定的环境影响下主动打开并拼装成所需的形状，如太阳能电池板
、天线等 。这不只削减了太空拼装的难度和危险，还进步了航天器的可靠性和可维护性
。2021年 ，我国发射的“天问一号”勘探器凭借形状回忆聚合物结构
，成功完成了我国国旗的可控动态打开 。这个打开安排由哈尔滨工业大学团队自主规划并研制，使我国成为世界上首个将形状回忆聚合物智能结构运用于深空勘探工程的国家
。

　　在生物医学范畴  ，4D打印的运用为医疗技能的开展带来新的曙光。在安排工程方面
，科学家们运用4D打印制作具有生物活性的支架。这些支架不只具有三维的多孔结构
，有利于细胞的黏附、成长和增殖，还能跟着细胞的成长和安排的修正而产生形状和力学功用的改动，为安排的再生供给抱负的微环境 。例如，打印的骨安排支架能够依据骨骼的成长状况逐步调整本身的力学功用，促进新骨的构成。在个性化医疗方面 ，4D打印更是展示出其共同的优势
。医师能够依据患者的详细病况和身体特征 ，定制4D打印的医疗器械。例如
，为患有先天性心脏病的儿童打印个性化的心脏瓣膜，瓣膜能够跟着心脏的跳动和成长而自习惯地调整形状和功用 ，进步医治作用。此外，4D打印的药物投递体系也能完成精准的药物开释，依据体内不同部位的需求和时刻节点，准确操控药物的开释量，进步药物的效果 
，削减副作用
。

青少年了解4D打印技能。作者供图。

　　在柔性夹持范畴，4D打印也展示出共同的运用价值
。在工业出产中，传统刚性夹持东西在面对形状不规矩 、质地柔软或易碎的物品时，简单形成损害
。4D打印运用智能资料制作的柔性夹持器则能很好地处理这一问题。例如，选用形状回忆聚合物制作的柔性夹持器，在低温下具有必定的柔韧性
，能够轻松包裹住被夹持物体。当温度升高时 ，夹持器会依照预设程序收紧 ，牢固地抓取物体，且能依据物体的形状自习惯调整夹持力度，防止对物体形成损坏。在电子芯片制作进程中，对细小芯片的转移和拼装需求高精度、轻柔的夹持操作 ，选用磁控智能资料4D打印的柔性夹持器能够精准地完成任务 ，进步出产功率和产品质量。

　　跟着人们对智能穿戴设备需求的不断添加
，4D打印技能为该范畴注入了新生机。传统的智能穿戴设备往往在舒适性和个性化方面存在缺乏，而4D打印技能能够依据每个人的身体特征和运用需求，定制具有共同功用的智能穿戴产品 。例如 ，4D打印的智能服装能够选用形状回忆聚合物或水凝胶等资料，当人体出汗或体温升高时 ，服装能够主动调理透气性和湿度，坚持穿戴的舒适感。一起 ，这种智能服装还能够集成各种传感器和电子元件
 ，完成与人体的实时交互
，如监测心率、血压等生理目标，并将数据传输到手机等设备上
。此外，4D 打印的可穿戴设备还具有自修正功用 ，当设备遭到细微损坏时 ，能够在必定条件下主动修正，延伸运用寿命。

　　开展远景非常宽广 。

　　虽然4D打印取得了明显开展，但现在仍面对一些技能应战。首要，智能资料的功用还有待进一步进步 。例如 ，形状回忆合金的呼应速度和回忆精度还不能彻底满意一些高端运用的需求；水凝胶在力学功用方面相对较弱，约束了其在一些承载要求较高范畴的运用。其次
，4D打印的工艺和设备还不行老练，打印精度、速度和资料兼容性等方面还需求进一步优化，以完成更杂乱 、更高效的打印进程 。再次，对物体变形进程的准确操控和编程也需求更先进的算法和软件支撑。

　　一起，由于智能资料价格昂贵以及打印设备和工艺的杂乱性，4D打印技能本钱较高
。昂扬本钱约束了其在大规模出产中的运用
，现在首要集中于高端范畴和定制化产品。若要完成广泛运用需下降本钱、进步出产功率并完成规模化出产 ，这需求资料科学、制作工艺、主动化技能等多范畴协同立异
，开发更经济高效的智能资料和打印技能 。

　　虽然面对许多应战
，但4D打印技能的未来开展远景仍然非常宽广 。以北京交通大学Rheobot实验室为例，该实验室成功研制出全球首台桌面级4D打印机并在2024年中关村论坛期间发布。经过自主研制的软硬件  ，这台4D打印机能够完成对体素单元的可视化磁畴方向编程  ，初学者也能够在5～10分钟内规划并制作出自己的4D打印著作 ，大大缩短了智能资料与4D打印技能的研制时刻
，有助于4D打印技能的进一步运用拓宽。跟着资料科学、人工智能
、机器人技能等相关范畴的不断进步
，4D打印将不断完善和开展。未来，4D打印有望完成更杂乱、更智能的物体制作 ，从微观的生物安排到微观的建筑结构 ，都将成为运用范畴 。一起,4D打印与其他新式技能,如人工智能、物联网等的交融
，将发明出更多新的运用场景 ，推进各行业的数字化、智能化转型。

　　作为一种具有前瞻性的立异技能，4D打印技能正在改动咱们对制作的认知 。它以时刻为维度，赋予物体智能和生命 ，为各个范畴带来史无前例的机会和应战。信任在不久的将来，4D打印技能将走进日常日子 ，为咱们发明愈加快捷、智能、夸姣的未来。

　　《光明日报》（2025年02月13日 16版）。

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