4D打印：有“生命”的智制

　　人 平易近 网 股 份 有 限 公 司 版 权 所 有 ，未 经 书 面 授 权 禁 止 使 用？。

　　软体机械人是一种新型柔嫩机械人，可以或许顺应各类非布局化，取人类的交互也更平安。磁控智能材料具有响应速度快、节制精度高的特点，例如仿照章鱼活动的软体机械人，通过对分歧部位磁控智能材料分歧强度和标的目的的，能够实现触手的弯曲、舒展和抓握等动做，正在海洋探测、水下救援等范畴具有广漠的使用前景。正在这一方面，交通大学团队自从研发的全球首个磁控流变机械人以至能够仿照单细胞生物阿米巴虫的伪脚变形活动，将来无望使用于血液轮回肿瘤细胞的捕捉取清杀。

　　3D打印完成后，物体的外形便固定下来。而4D打印则正在此根本上引入了时间维度，打印出的物体能跟着时间、变化而改变外形、机能或功能。简单来说，3D打印制做的是静态物体，4D打印创制的是雷同“生命”的动态智能构件，它们能对四周做出智能响应。

　　正在柔性夹持范畴，4D打印也展示出奇特的使用价值。正在工业出产中，保守刚性夹持东西正在面临外形犯警则、质地柔嫩或易碎的物品时，容易形成毁伤。4D打印操纵智能材料制做的柔性夹持器则能很好地处理这一问题。例如，采用外形回忆聚合物制制的柔性夹持器，正在低温下具有必然的柔韧性，能够轻松包裹住被夹持物体。当温度升高时，夹持器会按照预设法式收紧，安稳地抓取物体，且能按照物体的外形自顺应调整夹持力度，避免对物体形成损坏。正在电子芯片制制过程中，对细小芯片的搬运和拆卸需要高精度、温柔的夹持操做，采用磁控智能材料4D打印的柔性夹持器可以或许精准地完成使命，提超出跨越产效率和产质量量。

　　正在太空范畴，4D打印的可折叠布局具有庞大劣势。正在发射阶段，航天器的部件能够被折叠成紧凑的外形，节流空间，降低发射成本。进入太空后，这些部件可以或许正在特定的刺激下从动展开并拆卸成所需的外形，如太阳能电池板、天线等。这不只削减了太空拆卸的难度和风险，还提高了航天器的靠得住性和可性。2021年，我国发射的“天问一号”探测器借帮外形回忆聚合物布局，成功完成了中国国旗的可控动态展开。这个展开机构由工业大学团队自从设想并研制，使我国成为世界上首个将外形回忆聚合物智能布局使用于深空探测工程的国度。

　　跟着人们对智能穿戴设备需求的不竭添加，4D打印手艺为该范畴注入了新活力。保守的智能穿戴设备往往正在舒服性和个性化方面存正在不脚，而4D打印手艺能够按照每小我的身体特征和利用需求，定制具有奇特功能的智能穿戴产物。例如，4D打印的智能服拆能够采用外形回忆聚合物或水凝胶等材料，当人体出汗或体温升高时，服拆可以或许从动调理透气性和湿度，连结穿戴的舒服感。同时，这种智能服拆还能够集成各类传感器和电子元件，实现取人体的及时交互，如监测心率、血压等心理目标，并将数据传输到手机等设备上。此外，4D 打印的可穿戴设备还具有复功能，当设备遭到轻细损坏时，可以或许正在必然前提下从动修复，耽误利用寿命。

　　虽然面对诸多挑和，但4D打印手艺的将来成长前景仍然十分广漠。以交通大学Rheobot尝试室为例，该尝试室成功研制出全球首台桌面级4D打印机并正在2024年中关村论坛期间发布。通过自从研发的软硬件，这台4D打印机能够实现对体素单位的可视化磁畴标的目的编程，初学者也能够正在5～10分钟内设想并制做出本人的4D打印做品，大大缩短了智能材料取4D打印手艺的研发时间，有帮于4D打印手艺的进一步使用拓展。跟着材料科学、人工智能、机械人手艺等相关范畴的不竭前进，4D打印将不竭完美和成长。将来，4D打印无望实现更复杂、更智能的物体系体例制，从微不雅的生物组织到宏不雅的建建布局，都将成为使用范畴。同时，4D打印取其他新兴手艺，如人工智能、将创制出更多新的使用场景，鞭策各行业的数字化、智能化转型。

　　正在生物医学范畴，4D打印的使用为医疗手艺的成长带来新的曙光。正在组织工程方面，科学家们操纵4D打印制制具有生物活性的支架。这些支架不只具有三维的多孔布局，有益于细胞的黏附、发展和增殖，还能跟着细胞的发展和组织的修复而发生外形和力学机能的变化，为组织的再生供给抱负的微。例如，打印的骨组织支架能够按照骨骼的发展环境逐步调整本身的力学机能，推进新骨的构成。正在个性化医疗方面，4D打印更是展示出其奇特的劣势。大夫能够按照患者的具体病情和身体特征，定制4D打印的医疗器械。例如，为患有先本性心净病的儿童打印个性化的心净瓣膜，瓣膜可以或许跟着心净的跳动和发展而自顺应地调整外形和功能，提高医治结果。此外，4D打印的药物递送系统也能实现精准的药物，按照体内分歧部位的需乞降时间节点，切确节制药物的量，提高药物的疗效，削减副感化。

　　同时，由于智能材料价钱高贵以及打印设备和工艺的复杂性，4D打印手艺成本较高。昂扬成本了其正在大规模出产中的使用，目上次要集中于高端范畴和定制化产物。若要实现普遍使用需降低成本、提超出跨越产效率并实现规模化出产，这需要材料科学、制制工艺、从动化手艺等多范畴协同立异，开辟更经济高效的智能材料和打印手艺。

　　外形回忆聚合物：塑料的智能变身。外形回忆聚合类繁多，成底细对较低，且易于加工成形。它的外形回忆效应源于其内部的链布局。当遭到刺激时，链的构象发生变化，从而实现外形的改变。正在生物医学范畴，外形回忆聚合物有着庞大的使用潜力。例如，可降解的外形回忆聚合物制成的血管支架，正在低温下能够被压缩成藐小的外形，通过导管轻松送入血管病变部位。达到指定后，跟着体温的感化，支架会恢复到本来的外形，撑开狭小的血管，而且正在完成后逐步降解，避免了二次手术取出的麻烦。

　　正在航空航天范畴，4D打印正带来性的变化。制制保守的航空部件需要大量的加工工序和昂扬的成本，并且正在太空中，复杂的变化对部件的机能提出了极高的要求。4D打印手艺可以或许制制出具有自顺应能力的航空部件。例如，飞机机翼的蒙皮能够采用4D打印制制，利用外形回忆合金或智能复合材料。当飞机正在分歧的飞翔高度和速度下，机翼蒙皮可以或许按照空气动力学的变化从动调整外形，优化机翼的升力和阻力，从而降低燃油耗损，提高飞翔效率。

　　从个性化的珠宝饰品到复杂的航空零部件，3D打印展示出了庞大的创制力和使用潜力。然而，科技的摸索永无尽头，正悄悄兴起。它正在3D打印的根本上融入了时间维度，付与物体“变形”和“拆卸”的奇异能力，为将来制制带来无限可能。

　　借帮4D打印，科学家能够设想一个用湿度响应型智能水凝胶材料制成的花朵模子。正在打印时，设定好花瓣的初始外形和正在特定湿度下的变形法则。当把这个花朵模子放置正在潮湿中，花瓣就会按照预设的法式逐步展开，仿佛一朵实正的花朵正在绽放。这种对物体变形过程的精准节制，是4D打印的焦点所正在。

　　智能水凝胶：遇水“变形记”。水凝胶是一种亲水性的高收集材料，可以或许接收大量水分并连结必然的外形，正在4D打印中的使用次要基于这种材料所具有的溶缩和收缩特征。分歧的水凝胶对分歧的要素（如pH值、离子强度等）有分歧的响应。正在药物控释范畴，水凝胶制成的微球能够按照体内的变化药物。当微球处于肿瘤微（凡是pH值较低）时，水凝胶会发生收缩，将包裹正在此中的抗癌药物迟缓出来，实现精准医治，削减对一般组织的。

　　虽然4D打印取得了显著进展，但目前仍面对一些手艺挑和。起首，智能材料的机能还有待进一步提高。例如，外形回忆合金的响应速度和回忆精度还不克不及完全满脚一些高端使用的需求；水凝胶正在力学机能方面相对较弱，其次，4D打印的工艺和设备还不敷成熟，打印精度、速度和材料兼容性等方面还需要进一步优化，以实现更复杂、更高效的打印过程。再次，对物体变形过程的切确节制和编程也需要更先辈的算法和软件支撑。

　　磁控智能材料：将来的软体机械人。磁控智能材料是4D打印材料家族中的主要，正在航空航天、生物医疗等多个范畴展示出奇特的使用价值。这类材料次要包罗磁性流体、磁流变弹性体等，它们由聚合物或无机溶剂构成的基体和平均分离正在此中的微/纳米磁性颗粒构成。正在的感化下，磁性颗粒会敏捷陈列构成特定的布局，从而使材料的力学机能，如刚度、阻尼等，发生显著变化。

　　做为一种具有前瞻性的立异手艺，4D打印手艺正正在改变我们对制制的认知。它以时间为维度，付与物体智能和生命，为各个范畴带来史无前例的机缘和挑和。相信正在不久的未来，4D打印手艺将走进日常糊口，为我们创制愈加便利、智能、夸姣的将来。

　　4D打印将这些智能材料取计较机辅帮设想取制制手艺相连系，通过对材料正在分歧区域的分布、布局进行切确设想，并编写响应的“法式”，就能节制物体正在分歧时间、分歧下的变化体例。

　　实现4D打印依赖于智能材料和编程设想。智能材料是一类对刺激，例如温度、湿度、、电场等，具有和响应能力的材料。正在4D打印中，常用的智能材料无形状回忆合金、外形回忆聚合物、磁控智能材料、智能水凝胶等。以外形回忆合金为例，它正在低温下能够变形，当温度升高到特定值时，会敏捷恢复到本来的外形。

　　（做者：李振坤，系交通大学机械取电子节制工程学院副传授、京津冀国度手艺立异中能智制研究所立异师）。

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