北京
如果一个3D打印的物体能在环境变化时自行改变形状，会怎样？
想象一下，打印出一个并非永远保持出机时原样的物体。将其暴露于热、水、光或其他触发因素之下，它就能弯曲、折叠、膨胀，或以其他方式改变形状。
这就是4D打印背后的基本理念。它在3D打印的基础上，为成品添加了一种不同寻常的能力：对周围环境做出响应并随时间变化。
这一概念由建筑师兼计算机科学家斯凯拉·蒂比茨于2013年推广开来。十余年后的今天，研究人员正在开发日益精密的材料和打印技术，有望将这一构想转化为实用的工程系统。
那么，4D打印究竟是什么？
传统3D打印根据数字设计逐层沉积或固化材料，从而制造出实体物体。打印完成后，物体通常具有固定的几何形状，在不发生根本性形变的情况下执行其预定功能。
4D打印采用类似的增材制造基础，但打印出的结构包含可编程的刺激响应材料。这些材料可以被设计为对温度、湿度、光照、pH值变化、磁场或电刺激等触发因素做出响应。
这种响应可以通过材料本身及其结构打印方式来设计，使扁平或紧凑的物体能够转变为预设的形态。需要强调的是，“第四维度”是时间，并不意味着工程师在打印具有额外空间维度的物体。
3D打印与4D打印：区别何在？
最简单的区分是：3D打印制造结构，而4D打印可以制造出在制造完成后会发生变化的结构。传统3D打印部件通常被设计为在整个使用寿命期间保持其形状不变。而4D打印部件则可以被编程为在遇到特定环境条件时发生转变。
这两种技术甚至可以使用相似的打印设备。主要区别在于材料、结构设计以及对物体响应行为的编程。因此，4D打印与其说是发明一种全新类型的打印机，不如说是将增材制造与智能材料和精心设计的结构相结合。
哪些材料使4D打印成为可能？
研究人员正在试验几类响应性材料。形状记忆聚合物可以被编程为在受到刺激（通常是热）后恢复特定形状。水凝胶能够在水和其他环境条件作用下膨胀或收缩。研究人员还在研究液晶弹性体和自修复聚合物，以及兼具多种性能的复合材料。
打印过程还可以控制不同材料的排列方式，使物体的不同部分做出不同的响应。这就为程序化弯曲、折叠或更复杂的运动创造了可能性。
4D打印可能应用于哪些领域？
该技术已引起多个工程领域的关注。在医学领域，研究人员正在探索用于药物递送、组织工程、诊断设备和能够响应体内条件的植入物的4D打印结构。
在软体机器人领域，打印结构有可能充当轻量级致动器，无需传统电机即可改变形状。航空航天是另一个引人关注的应用方向。自适应结构有可能根据环境条件改变构型，而轻量级可展开部件可以以紧凑形式打印，在激活后展开变形。
研究人员还在探索电子、智能纺织品、汽车部件和建筑领域的应用，在这些领域中，能够响应周围环境的材料可以提供传统静态部件无法实现的功能。
4D打印准备好大规模生产了吗？
还没有。研究已取得长足进展，但4D打印在很大程度上仍处于实验室和概念验证阶段。2025年《化学评论》的一篇评估文章指出了所面临的挑战，包括材料、制造复杂性，以及在广泛采用之前需要进一步开发的问题。
研究人员还需要更好地控制变形速度、耐久性、可重复性和工作条件。将响应性材料放大为大型、可靠的工业部件是另一项重大挑战。因此，4D打印的未来或许不在于取代传统3D打印。相反，两者可能日益形成互补。
3D打印让工程师对材料的放置位置拥有非凡的控制能力。4D打印则增加了一个新问题：材料打印完成后应该做什么？这一转变——从制造静态物体到制造能够适应的物体——最终可能使4D打印成为增材制造演进过程中最引人注目的方向之一。
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