4D打印：为制造业注入强大生命力

来源：航空制造网（ID:aerotime），作者：凌飞

看过《终结者》的朋友们都知道，里面未来机器人的制造很是神奇，利用一个机器直接从液态金属里一拽，机器人就“变”出来了。一堆金属怎么就能在没有生产加工线的情况下那么听话，自己变成机器人，这也太不可思议了吧？

液态机器人自己从金属里生长出来

其实，这个思想在现实生活中还真有，那就是现在越来越火的4D打印技术。虽然3D打印还没有全方位普及开来，但仍然挡不住4D打印欣欣向荣的发展趋势。今天就跟小编来了解一下4D打印那些事儿。

4D打印自动成型

1. 什么是4D打印？

4D打印是指通过一种能够自动变形的材料，只需特定条件（如温度、湿度等），不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。与3D打印相比，4D打印多了一个“D”也就是时间维度，人们可以通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。

各维度打印示意图

4D打印让快速建模有了根本性的转变。与3D打印的预先建模、扫描，然后使用物料成形不同，4D打印直接将设计内置到物料当中，简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程，让物体如机器般“自动”创造，不需要连接任何复杂的机电设备。目前4D打印技术使用的材料只能感应水的刺激。

神奇的4D打印

2. 4D打印的起源与发展

4D打印的关键部分是记忆合金的使用。说到记忆合金，其实在3D打印出现之前人们已经开始利用了。1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗”11号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印，并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。为了把这个庞然大物般的天线带到月球上，科学家们使用一种具有形状记忆功能的合金材料。先在其转变温度以上按照预订要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球。

半球形天线自动展开示意图

2013年2月25日，在美国加州举办的TED2013大会上，来自美国麻省理工学院的斯凯拉•蒂比茨展示了4D打印技术，并借助实验加以阐述，但该技术当时并未引起太大关注。直到2014年10月8日，美国《外交》双月刊发表了一篇名为《准备迎接4D打印革命》的文章，才让很多国家政府层面开始关注4D打印技术，尤其是以美国为首的发达国家，着手在军事、医学等领域探索4D打印技术及其在这些领域的应用。

TED大会上分享4D打印技术

3. 4D打印的优势

与传统的制造方式相比，4D打印除了拥有3D打印的一些主要优势外，还具备很多其他重要特性。

首先，它能直接把设计以编程的方式内置到打印机当中，使物体在打印后，从一种形态变成另一种形态，为物体提供了更好的设计自由度，实现了物体的自我变化和制造。

其次，它能将多种可能的修正要素设定在打印材料的方案中，让物体在打印成型后，根据人们的想法驱动物体实现自我变形或对其完善和修正。

4D打印按想法自我变形

第三，它能在进一步简化物体生产和制造过程的同时，使打印出的物体先具备极为简单的形状、结构和功能，然后通过外部激励或刺激，让它再变化为所需要的复杂形状、结构和功能。

第四，它能使部件与物体本身结构的难易程度在制作时变得不再那么重要，并可在其中嵌入驱动、逻辑和感知等能力，让物体变形组装时无需设置额外的设备，大大减少了人力、物力和时间等成本。

4D打印智慧材料的感知能力

第五，它能激发工程师和设计人员的想象力，并设计出多种功能的动态物体，之后再进行物质编程进行打印制造，促进了“物质程序化”这一造物方式成为现实。最后，它能通过更有效的编程设计，将打印物体的数字文件由互联网发送到世界任何地点，克服了物体生产制造的空间限制，更好地实现了多样化物体的全球化数字制造。

4D打印使物质程序化

4. 4D打印研究进展

4D打印技术的应用大到航空航天，小到运动鞋制造。目前，军方已授权哈佛大学和其他两所大学研究可用于军事、住房和桥梁的自主变形4D打印材料。最直接的例子是，可适应灾难或极端环境变化的建筑材料。例如房屋的物理空间将根据住户预设定的空间需求，在特定时间下由当前的静态向动态转变，促进居住空间的有效利用，同时装饰风格也可以随意变化。

可变形的座椅

在运动鞋上，使用4D打印技术更是带来意想不到的效果。鞋子可以感应脚施加的力量以及温度和湿度的变化，从而“明白”此时的运动状态，进而运动时鞋子变成一双透气跑鞋，打篮球时鞋子可以提供更好的踝关节保护，在雨中行走时可以起到防水作用。

4D打印的鞋子更好地保护足部

美国麻神科技设计公司“Nervous System”研发了全球第一件“4D裙”，通过4D打印技术利用弹性贴身布料，制作了拥有2279个三角形和3316个连接点相扣而成的裙子。该裙子根据穿戴者的体型情况自我改变，而且还可以根据偏好自动变换造型，不论高矮胖瘦，怎么穿都会很合身。

4D裙无论何时都很合身

有团队尝试利用4D打印技术来制造更加智能的赛车尾翼。车手转弯的时候，摩擦产生的热量会触发碳纤维中的热敏材料变形。因此，该尾翼会发生变形，从而优化空气动力学特性，取得更快的车速。

4D打印的赛车尾翼适应阻力自动调整

5. 4D打印技术的应用前景

未来，不论在军用还是民用领域，4D打印技术应用于可编程物体均可大显身手。想象一下未来的椅子能够自己变成桌子，输水管道可以自我修复，这样就可以在不需要人工参与的情况下，建造出结构复杂的机器。另外，还可能出现自组装建筑，它们不再需要砖头或浇灌混凝土，只需要将相当于建筑体积的程控物质倒入地基，然后命令它们“生长”或“稳定”成最终的结构，同时水电线路一应俱全。在交战区域或火星表面等恶劣环境下，这样的自组装房屋非常有应用前景。

4D打印的智能家居

在外太空的恶劣环境中，4D打印也有极广阔的应用前景。例如，可以将一个小型压缩包发射到太空中，进入预定轨道后，能够自动变形为一颗具有特定功能的人造卫星。其他用于外层空间的设备也可以设计成多种用途，比方说太阳能面板系列，在需要时能够变形成为抛物面天线或储物舱。

未来采用4D打印的卫星可在轨变形

除此之外，还有能根据气压或温度变化自动调整形状的飞机机翼；能够随路面和天气状况改变抓地面积的轮胎。应用4D打印技术，不仅可以保护飞机，也可以让桥梁在交通流量突增或地震等突发情况下确保安全。

未来4D打印技术用于可自动调整机翼

可变形材料技术

来源：大柳树防务，作者：王志伟 

可变形材料是一种能够响应外界刺激，进而改变自身结构和形状的智能材料，包括形状记忆材料、自适应材料、凝胶材料、伸缩材料、弹性体材料、电磁流变液和自修复材料等。可变形材料在发生形状变化的同时，往往伴随着微观分子尺度的物理和化学变化，以及材料宏观属性性能的变化。可变形材料技术是材料技术领域中的新兴前沿方向，在国防军工、机械电子、信息交通、仿生医疗等领域都具有广阔的应用前景。

美、欧持续推进可变形材料技术发展，研究不断取得突破。近年来，以哈佛大学和麻省理工学院为代表的科研机构在新型可变形材料技术研究方面取得了系列突破。2013年，哈佛大学威斯研究所的仿生学团队从眼泪得到启发，开发出能够根据需要改变透明度与粗糙度的可变形材料，可通过外力操作导致持续加注的液体表面发生变形，这为实现液态机器人奠定了研究基础。2016年3月，哈佛大学科基于折叠立方体研制出一种新型可变形材料，可以通过编程改变外形、大小和硬度，能够压扁成平板，之后再次恢复形状，未来可在建筑、医疗、汽车等多领域得到应用。

图1 哈佛大学研制的可变形材料

2014年，美国麻省理工学院研发出一种能够在湿软和刚硬状态之间转换的先进变形材料，可使机器人在坚硬和柔软状态之间变换，还可用于制造可变形外科手术机器人，在没有伤害任何器官和组织的情况下抵达特殊区域。2016年4月，康奈尔大学用金属液填充硅树脂泡沫，研制出一种可变形复合材料，可用于制备小型无人机的变形机翼，使其能适应从空中到海洋的环境变化，自动缩短机翼，从而尽量减少机翼损伤。

图2 麻省理工学院研制的可变形材料

2015年，德国基尔大学发明了一种新型镍钛铜记忆合金，可完成千万次变形而不发生断裂，而通常合金材料变形几千次就会断裂。这项发明大大拓宽了记忆合金的应用领域，在电磁耦合器、温度传感器、微电子和光学器件、信息存储介质以及人工心脏瓣膜等都有巨大的应用潜力；2016年8月，英国工程与物理科学理事会先进复合材料创新和科学中心提出一种基于“剪纸”艺术设计思想的可变形超材料制备方法。该技术可通过工程切割和折叠获得大尺寸、大体积变形，并具有高定向、可调节机械性能的多孔超材料，未来可用于机器人机体、飞机和飞行器的变形结构，微波和智能天线等。

4D打印已成为新型可变形材料的主要制备技术。4D打印技术是在3D打印的概念中引入了时间维度，被打印物体可以随着时间的推移而在形态上发生自我调整，即可变形材料。2016年3月，德国宝马集团发布了全新概念车，这款车的车身材料将通过4D打印技术实现，4D打印出来的零件可以被“编程”，具有可变形特性，意味着未来可变形汽车将成为现实。2016年8月，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室利用4D打印技术制备出可变形材料，当暴露于热环境或者受到电流刺激的时候能够折叠或者展开以改变形状。2016年8月，麻省理工学院使用微立体光刻打印技术制备出的形状记忆高分子材料，首次实现4D打印微米尺度可变形材料。

图3 宝马全新概念车示意图

图4 麻省理工学院4D打印的可变形形状记忆高分子材料

可变形材料技术基础理论和机理研究将逐步深入。可变形材料技术研究目前仍处于探索阶段，一些关于材料设计、制备、性能表征的基本原理和技术问题仍需要深入研究。可变形材料技术未来基础研究的重点主要包括：新型可变形材料制备机理、可变形材料的变形机制及其行为调控与能力扩展、环境响应行为控制及其数值模拟与表征、仿生及仿生学、可变形行为的可靠性与评估，功能集成化与系统化等。基础理论与作用机制的进展与突破，是决定可变形材料未来发展与应用前景的重要因素。

可变形材料技术未来发展方向逐渐清晰明朗。可变形材料技术是智能和功能材料与结构研究领域中最重要的研究方向之一，未来发展方向主要包括：一是可变形材料设计与制备新方法，如4D打印技术、材料计算技术等；二是可变形材料技术的理论基础及应用；三是可变形材料技术与仿生学交叉发展；四是能量材料与能量转化材料的研究，即通过可变形材料技术实现机械能与热能、光能、电能、化学能等之间的转化；五是环境感知/响应/传感/驱动/控制等功能一体化和系统化。

可变形材料技术未来将在国防领域发挥更大的作用。可变形材料技术赋予材料“智慧”，使其具有人工智能的能力，在空间展开结构、航空变体飞行器、先进制造与装备、机器人、信息通讯等领域的应用拥有独特优势，前景十分乐观。例如，可变形材料技术在航空变体飞行器中的应用，可以实现飞行器真正的仿生飞行，实现飞行器攻击/侦查等多种作战用途，极大地提升作战效率和战场生存能力。可变形材料技术在机器人制造方面的应用，将使机器不仅具有“变形金刚”的能力，甚至实现液态变形终结者机器人，其生存能力和战斗能力将获得极大地提升，对现代战争形态产生颠覆性的影响。再如，可变形材料技术依靠其形状记忆能力应用在信息通讯领域，对信息的加密和破解防护有着具大的优势。未来，可变形材料技术将渗透国防军工的各个应用领域，对作战模式、武器装备样式产生变革性影响。