4D打印，让我们想象一个不同的物质世界

本文获授权转自：信息与电子前沿（ID：caeit-e）

作者：赵楠，计宏亮

• 4D打印：未来的智能材料

• 五大未来科技4D打印 真正能改变人类生活

• 4D打印技术的前景与挑战

• 4D打印技术军事应用前景广阔
  

• 4D打印：创造可被编程的世界
  

• 人类即将面临的十大变化 4D打印将带来便利

• 美国展望革命性的4D打印技术

编者按：
3D打印问世已经将近三十年，但仅在去年才抓住了数百万人的想象力，包括美国总统。工业，政府和公众的意识已经达到一个“引爆点”，并且现在已经认识到3D打印的当前影响和未来潜力。现在，一个新的颠覆性技术即将出现，它可以给3D打印带来一个全新水平的能力，并且对社会，经济，全球政府经营环境，企业和公众产生深远的影响。

在这里被描述为4D打印（4DP）的可编程材料（PM）具有3D的经济，环境，地缘政治和战略的意义，同时在把虚拟世界的数字信息转化为物质世界的物质对象时提供新的和前所未有的能力。

4D打印中的第四维是指在物质对象生产后能够改变材料对象的形式和功能，从而提供附加的功能和性能驱动的应用程序。

“让我们想象一个世界”

在这里固体物质对象在单个或预编程的指令下，可以演变成新的形状或改变性质，以对外部条件的变化做出相应的回应，诸如，温度、气压、风或雨。那个世界----其中的事物并不是它们看上去的那样----就要来临了。

这个世界有着潜在的巨大的益处，从可以在飞行中改变形式的飞机机翼，到为了实现不同的功能能够自我组装和重组的家具甚至建筑。不仅如此，我们可以更好的保存我们星球上有限的资源。实物能被回收不是通过节省材料诸如可以熔化和再用的塑料，而是通过命令对象分解为可编程颗粒或组件，然后可以再次使用，以形成新的对象并执行新的功能。因而PM/4DP的长期潜力可能是一个更环保的可持续世界，在这里可以用较少的必需的资源，向越来越多的世界人口和迅速扩大的全球中产阶级提供产品和服务。

虽然可编程物质可能对国家以及企业和个人有着明显效益，但是它也可能产生新的不确定性，甚至不安全性，特别是对政策制定者。互联网和社交媒体已经在虚拟世界中创建了政府控制以外的不断扩大的活动范围。现在想象一个能够改变的物质世界，它的方法对政府和对有潜在威胁的国家安全来说是不可预知的。你的银行账户可能被非法入侵，你的身份可能在网络空间被窃取，并且你的人身安全在可编程物质世界中也会受到威胁。

可变形机翼能够被非法入侵而导致空难，你所在的建筑也能被命令而解体。但是，预期这样的危险应该使得保护性措施被“烤入”可编程物质中，而不只是在事故发生后去认可。一些网络安全专家认为互联网的结构漏洞可能在一开始就被预期并设计出系统。这样的考虑对于可编程物质所带来的物质对象的非法入侵的潜能是更最重要的。知识产权（IP）的权利也可能变得更加复杂，因为产品能够从一种形式变成另一种形式，从而直接挑战多条产品线的专利权。

而这种新技术肯定能用经常引用的一句俏皮话来描述即“任何足够先进的技术都与魔法无异”。政策制定者需要了解这个新兴技术的基本知识并且要保持可编程物质的领先水平，因为它既提供了重要的机会也带来了前所未有的危险。在可编程物质的全部潜力被认识到之前，这项技术需要耗费时间和大量资源，包括研究人员，生产厂家，测量设备，资金支持等等。在此其间，已经有成功原型证明可编程物质的可行性，并且它很可能在几年内就出现在现实世界的应用中。

可打印的世界

3D打印是一个非常广泛的应用：从可能的印刷替代人体器官到机翼甚至更多的核武器，甚至可能包括极其难以制作的“内爆球。”三维印刷是层叠式建立对象，因此可以建立任何虚拟的几何图形，包括那些使用任何生产方法都不可能创造的对象。

图1.4DP实例展示一股线自折成为字母“MIT”；一个平面自折成为封闭的立方体；一股线折叠成为线框架立方体。

可编程的世界

可编程物质增加了在三维印刷中基础物质的编程能力，并且是合乎逻辑的补充和三维印刷的延伸。通过发展，协同增效和一批技术的融合，使得可编程物质（PM）有可能成为现实。随着来自金属，陶瓷，塑料，甚至多材料能力的3D物质的建立，3D印刷已经得到了大幅度的改进。智能材料同样变得更好更实惠，而电脑和电子产品会变得更小和更便宜。3D印刷材料引用的可编程能力使得嵌入式机器人一样的能力直接变成物质，而不需要能源密集型和容易发生故障的机电设备。这种能力可能对社会大大有利，但是也带来了新危险。

今天创建的对象，包括3D打印，主要是为了稳定和静态而设计的，也就是说，他们在制造出后无法改变自己的形式或功能。PM物质会把这种惰性的世界变成一个动态的，实现了一系列广泛的功能，比如，3D打印与4D打印的比较优势（如图）。PM将允许改变材料的特性（比如，柔韧性，孔隙度，导电性，光学性质，磁性质），以及它会产生能够被装配，分解，然后重新组合以形成所需形状和多功能性的宏观物体。

4D打印实例

目前用于可编程物质的方式是四维打印。一个被预先编程的四维打印对象的例子是对刺激物----水的反应，并改变成其它形状（见图1）。该图上部展示一维对象变成二维对象，当插入水中时，蛇形对象变成字母“MIT”。底部的两个图表明一个对象可以从平面和线框结构创建自折立方体。

图2的其它应用展示出一种自变换单链从字母“MIT”变成字母“SAL”，一个平表面自我折叠成截断的八面体，和一个扁平的圆盘自我折叠成弯曲折痕的折纸结构。这些实验是由作者之一（斯凯勒蒂比茨）与Stratasy有限公司和欧特克公司一起实施。

他们通过使用Stratasys公司康奈尔克斯多材料打印机，当新开发的聚合物浸没在水中时，可以扩大150％。嵌入到Autodesk软件和工程机械人中的新应用是模拟四维印刷对象的动态及其材料的优化。这项技术已经吸引了大量的媒体关注其制造潜力。

图2.4DP实例展示一股线从字母“MIT”自我变形为字母“SAL”，一个水平面自折成截断的八面体，一个平面圆盘自折成弯曲折痕折纸鞍结构。

另一个4D打印技术是在三维打印作业期间把嵌入配线或导电部件安装到特殊兼容的组件中。对象被打印后，部分内容可以通过外部信号激活以触发全部安装功能（例如，图3和图4）。这种方法对于诸如机器人，家具和建筑结构领域有着潜在影响。

其他4D打印方法包括基于不同的物理机制和可热活化可以变型成几个不同、复杂形状的复合材料。由于轻度曝光，自叠式材料制成的实证也出现了。

图3通过原位嵌入添加剂生产过程设计和创造的机器人手指：a)计算机辅助设计表示b)已完成的手指（嵌入单丝纤维）c)通过滑动结合使手指制动。

图4通过材料喷射工艺生产的集合感应和制动翼副翼：a)在打印中途沉积步骤中建立托盘上嵌入直接手写导体平面和几何图形表示b)最终打印的几何图形中，嵌入式制动形状记忆合金丝的详细视图。C)集成感应和制动翼副翼ⅰ）通电之前ⅱ）通电之后。

作为传感器的可编程材料

传感器嵌入到3D打印对象也会为PM开辟新的途径。纳米材料插入到3D打印对象可以创建多功能纳米复合材料，这种材料可以改变特性来响应电磁波，例如，可见光和紫外光。

图5展示使用纳米材料和典型3D印刷树脂的实例。当点亮可见光时，字母呈灰色；可当点亮紫外线时，字母呈现出红色。虽然这是一个简单的例子，可是使用更高级的三维和其它纳米材料的更复杂的能力也是可行的。比如，传感器可以被嵌入到医疗设备来测试极端血压，胰岛素水平，以及其它重要医疗指标。

上图：在弗吉尼亚理工大学合成的硒化镉量子点（硒化镉量子点）和以甲苯形式悬浮。每管含有不同数量的量子点（从直径约2.5纳米的深绿色，到15.0纳米的深蓝色），因此在紫外线照射下发射不同的颜色。

中图：通过使用不同的量子点荷载，制成光敏聚合物/硒化镉量子点纳米混悬剂（重量百分比列出）；每个小瓶中的量子点是相同的大小。

下图：在3D打印部件中嵌入量子点纳米复合材料。在可见光和紫外线（UV）照明下，显示相同的部件。本研究是作者（托马斯·A·坎贝尔）和弗吉尼亚理工大学的克里斯托弗·B.·威廉姆斯博士的共同努力.

更多能力的可编程材料

这样的展示只是PM潜力的冰山一角。理论上来说，更复杂的组件，不同的纳米材料和原材料，以及不同的活化能（水，热，光等）可以为PM创建融合很多新奇的应用。就像人们可以使用各种乐高积木构建更加复杂的结构（见图6），仅仅通过很多PM的集合将使各种改变形式和功能的能力变得可行。

未来的一个前景是PM/4DP具有一套不同的形式和功能的多体素。它们是定制设计，容易放置，然后为特定的应用编程。理论上来说，人们可以具有由金属，塑料，陶瓷或任何数量的其它材料组成的体素。参照DNA驱动的生物系统可以更好地理解这种潜能。近期有一本书，作者利普森（Lipson）和库曼（Kurman）解释：

生物的生命是由二十二个积木----氨基酸----在不同的排列中安排自己以引起蛋白质和最终的生命形式。这使得生物生命形式自我修复变得可能。

动物和植物可消耗彼此并重复使用生物材料，因为我们都是由相同的相对小的一组二十二个积木组成的。同样的方式，像素是图像的基础部分，一位是信息单位，并且一个氨基酸是一个生物物质的基础部分，一个体素是体积像素（因而得名）。物理物质的基本单位是原子。印刷物质的基本单位要大一点，有几百微米，一颗沙粒的大小。就像一个艺术家的调色板上的几种颜色，几种体素类型就可以带你走得很远。

如果少于二十个元素类型都会产生所有的生物生命，一些基本的体素类型也可以带来一个大范围的可能性。首先，让我们融合硬性体素和软性体素。只使用这两种类型的体素，有可能制成硬性材料和软性材料。加上导电体素可以制成配线。添加电阻，电容，电感和晶体管体素可以制成电子电路。添加执行器和传感器体素的话，你就会得到机器人。

图6乐高商店中各式积木；哥本哈根，丹麦

当前技术挑战

几个可编程技术挑战需要在几年内解决（排列不分先后）：

●设计—我们如何编程未来的CAD软件使得PM具有多尺度，多元素和动态组件呢？

●材料—我们如何创建具有多功能特征和嵌入逻辑能力的材料呢？

●体素间的粘合—我们怎么能保证体素之间的附着力比得上常用系统，同时允许使用后可重新配置或可回收呢？

●能量—我们如何生产，存储和使用被动和大量的能量资源来激活个体体素和可编程物质呢？

●电子器件—我们如何在亚毫米大小的情况下高效和有效地嵌入可控制的电子器件（电子类功能）呢？

●编程—我们如何编程并且和单个体素进行物理和数字的交流呢？我们如何编程来改变可变的状态呢？

●不同环境的适应性—我们如何编程和设计回应环境的体素呢？

●装配—引起体素大尺度的自我装配需要什么外部因素呢？

●标准化—能否创立诸如通过ISO生产的标准来确保PM体素和系统之间无缝相互作用呢？

●认证—PM系统能够通过正常渠道被技术认证吗？或者需要全部新的认证吗？（比如，飞机部件需要严格的FAA认证）

●材料和赛博的安全—我们如何能够把编程功能嵌入到对象而仍然确保它们是安全的呢？

●负担起的生产技术—PM系统的日常生产能够被小和大型生产厂家负担的起吗？

●特征—体素的动态系统会有什么特征？需要新的度量衡设备吗？

●回收利用—我们如何保证体素能够分解并且重新配置以供再用或自我纠正呢？

当然，可编程物质基于物理定律也有基本的限制。例如，能量守恒和物质守恒不能打破，并且体素原料不能被改变，比如说，从钛改为塑料或陶瓷；然而，材料的性质和行为可以很轻松地被转换。

这些和其他未知的挑战将需要广泛的研究为可编程物质铺平道路。显然，要使该技术在众多系统中可以实行，而后被广泛采用的话，需要大量的投资。

可编程物质的知识产权

知识产权可能受到可编程物质的挑战。就像3D印刷一样，可编程物质使得消费者和律师很难追踪产品的起源。基于既定产品的非再生性，创建了专利。但是，通过4D或者可编程物质，你可能制作出具有完全一样的形式和功能的复制品。

由于可编程物质，元件失效的合法意义也变得有趣。

如果由可编程物质制成的机翼失效的话，谁将为此负责呢?第一位生产商吗？程序编程者吗？新设计或智能材料生产者吗？就像3D印刷一样，当可编程物质这种新技术出现时，设计师和生产商应该考虑这样的问题。

分裂技术

历史充满了扰乱全球商业和地缘政治（例如，电报和互联网）新技术的实例。3D打印已经有了这样的效果。PM/4DP很可能会有更多的变革，因为它使3D打印对象不仅可以为他们的应用而量身定制，而且在外形和功能制造后的变化方面还是可编程的，包括适应不断变化的环境，并且可被回收，维修或不再使用时重新配置。可编程物质就有了一系列广泛的军事应用和意义。

美国陆军和海军已经在战地和船上为零部件开发3D打印，以及设计和生产更便宜，更轻和更有效的武器系统。在战场附近或船上不必运输和储存成千上万的零部件，这将为船舶，作战人员节省空间，时间和费用。可编程物质可以获得更高水平的防御效益。

想象一下，在悍马或潜艇上有一同体素。如果一个零件坏了或是需要特定的工具，而离总部又远，我们只是需要集合一些体素和给它们编程以形成那个零件或工具。当工具不再需要时，可以命令它自我解体；从而留下了可用于其他工具或零件的体素。除了零件和工具，可编程物质可以使作战服调整保温和冷却来适应周围环境和个人生物特征；并且，也许某些PM研究者最终的愿景是像在电影“魔鬼终结者2”中，那个随意变形和穿过障碍物的变形机器人。

更进一步说明PM潜能的其它例证： 

l 呈现逼真品质的建筑和结构。我们不是铸造砖或浇注水泥，而是把建筑需要的数量的PM倒入根基，然后编程PM元素使其“成长”为一个完整的建筑，并且它具有嵌入式电力所有装备，水暖和信息技术。最近麻省理工学院（MIT）关于可变形立方体的工作，可能是空间应用或快速配置结构的一种新形式建筑砖的前兆。

l 为了提高性能，飞行中的机翼改变形状是对发送信号的回应。机翼对变化的气压，温度，或其它环境条件作出回应，以使空气阻力最小化或最大化。

l 改变形状的轮胎／根据路况的牵引力／天气条件和驾驶要求，它们都是来自传感器的自动反应。

l 鞋／衣服／车闸都会适应使用者的表现和变化的环境，以提高性能，变得合适，或具备应有的风格。

l 在你购买打包的家具后，自己在家里进行组装；当你打开包装或者给它发出指令时，这样的组装可以自动实施。与之类似的是，为了便于搬运或拥有不同功能，你也可以让你的家具自行拆卸。

l 自修复材料，例如，飞机，道路，桥梁和设备上使用的微裂纹自愈功能。

l 以再循环或信息安全与保护机密材料为目的的自拆卸材料。

l 适应变化的路面条件或天气，桥梁和路面。

l 基础设施线路的智能阀门、接头和传感器，它们可以从根本上响应控制流率，且可以适应弹性和保护性。

这就是PM即将展现的世界。一系列广泛的技术就要到来，比如，软件和设计工具，新材料，先进的生产设备，信息和通信技术（ICT）的能力，大数据，高级算法和3D印刷。它打开了仅在几年前只出现在科幻小说中的新的可能性。

结论

可编程物质和4D打印肯定会表现出“神奇”的潜力，但它们扎根于真实的工程和科学研究，只是由于近期的技术进步才出现的。目前有几个PM应用即将出现。然而，我们注意到，更多实质性的应用将需要注入巨大的资源（更多的资金，研究人员培训，致力于PM研究的联邦中心，新制造和测量设备的开发）。由于拥有3D打印技术，美国有机会引领四维打印的研究和应用，但是可编程物质的研究和开发需要越来越多的，持久的资助和政策支持。

通过可编程物质和4D打印，存在创建一个新阶层分裂技术的潜力，它比得上甚至远远超过三维打印。这不是异想天开的世界，只要一触开关，一种新的物质组成形式就能够改变形式和功能。在这个世界里，你可以让情报组装的像乐高积木一样，几乎成为任何多功能和可变形的3D物品，并且能够随心所欲地拆解它们。既有希望又有挑战的未来正等着我们。