您可轻轻闭上双眼试想一下，从家具卖场买回的沙发，可以根据您和家人的体型变换不同的尺寸；在咖啡吧使用的咖啡杯，可以根据咖啡的温度调整形状；从汽车4S店购买的汽车涂料，可通过改变自身结构适应潮湿的环境或撒过盐的道路……

俗话说得好，“你永远跟不上科技的脚步”。在我们刚开始接触3D打印并为之惊叹的时候，科学狂人们已经开始思考让4D打印改变世界。那么，究竟什么是“4D打印”？关键技术是什么？目前在中国发展4D打印还有哪些短板？它的应用前景怎样？下面就让我们访企业，问专家，一探究竟。

4D打印“炫”在哪儿

在美国洛杉矶今年初春举行的“技术、娱乐、设计”（TED）大会上，麻省理工学院的研究人员首次展示了新一代打印技术——4D打印，顿时“点亮”了众人的目光。

大会上，建筑师和电脑科学家斯凯勒·蒂比茨解释说：“我们提出将4D打印的第四维度定为时间，也就是说使得3D打印出的物体能够随着时间自动变化和调适。刚性材料形成一个架构，其他层则是弯曲和扭转该架构的力量来源。”

4D打印与3D打印紧密相关。3D打印，就是CAD（计算机辅助设计）模型直接驱动的、可以完成任意复杂结构的制造方法的总称。它的核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合，主要特点是数字驱动制造和增材制造。“这就像盖房子，一层层往上垒砖砌墙，只不过用的不是方砖水泥，而是工程塑料、粉末、尼龙、光敏树脂甚至是金属、陶瓷等不同的材料。”中国3D打印技术产业联盟首席顾问、清华大学教授颜永年如是说。

蒂比茨进一步说明，与3D打印相比,4D打印如同增加了连线和发动机的机器人。所谓4D打印技术，就是在3D打印的基础上增加一个“时间”的纬度。所有物体都因时间而存在，物体形状改变也需要时间。

具体而言，4D打印的逻辑，是通过3D打印已嵌入产品设计的可变形智能记忆性材料，在特定时间或物质激活条件下，无需人为干预，无需通电，便可按照事先的设计进行自我组装。由此可见，4D打印比3D打印多的一个“D”表现在“时间”纬度上，这种革命性新技术可以通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定时间内快速“自动组装”。

相对于3D打印明晰的内涵和外延，也有专家认为应该审慎对待4D打印的概念。“3D打印的科学术语是‘增材制造’，与传统的方法有本质的区别。不过，‘4D’并没有一个完整的科学的定义。”北京隆源自动成型系统有限公司总经理冯涛告诉记者，“增材制造”，是与传统制造业的“减材制造”对应的，这种技术依据物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式，制成实物模型。他向记者坦言，“所谓4D，就是加了一个时间轴，采用形状记忆材料等这类材料作为3D打印的材料，就可称为4D打印。所以，把4D打印作为一个技术分类，我认为是不准确的”。

关键是特殊打印材料

没有争议的是，专家们认为，4D打印更为智能，制作材料可自行“创造”，简化了打印过程，但这既对打印材料提出了更高要求，又是其得以实现的关键。

就在几个月前，麻省理工学院的研究人员曾展示一种“自主记忆”的材料。据了解，它由普通塑料和一种活性化学物质构成，当这种智能材料接触到一种其他物质，比如水时，它的延展性便会发生变化。在视频中，研究人员设计出了一个立方体，他们通过复杂的算法和设计，将“自主记忆”材料与其他材料混合，用3D打印机打印出一根管子，再将其放入热水中，它就会按设计自动弯曲成一个立方体。

随着4D打印技术渐次传入我国，金属材料领域的人士指出，4D打印最关键的是记忆合金这种材料。

中科院化学研究所研究员、新材料实验室主任宋延林告诉记者，所谓形状记忆合金，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。宋延林指出，形状记忆合金是在特定外部条件下回归原来的形状，此前，物体已经被设定完成。

“实现4D打印的关键在于运用带有‘记忆功能’的材料，”深圳光华伟业实业有限公司董事长杨义浒告诉记者，“目前我们正与合作伙伴共同开发带有记忆功能的生物心脏支架。”在杨义浒看来，传统的心脏支架通常由记忆金属制成，在通过血管被置入设定的位置后，自动撑开承担扩张血管通道的使命。他坦言，金属支架的问题在于无法降解。换句话说，除非人为将支架取出，它将永远留在体内，由此带来的并发症和因长久停留对人体造成的不利影响可以想象。

“生物心脏支架的最大优势，在于生物材料的生物相容性、可降解性和材料自身的记忆功能，而我们要做的是对材料精确控制，使之在一定的外部条件（比如温度、压力）下，恢复预设的形态。”杨义浒进一步解释，以医学生物心脏支架为例，当支架在身体外部时，它可能看起来是一个实心细条，而进入身体后在体温的刺激下，就变成了可以撑开的空心支架。一段时间以后，当涂抹了药物的支架完成扩张和疏通血管的使命后，便在血液中自动降解。“我们还可以通过不同种类生物材料的复合，来控制生物介入物的降解速度，”杨义浒认为，“它们是很好的临时性人体植入材料。”

发展4D打印短板在哪

也有专家认为4D打印材料还应该超出“记忆功能”材料的范畴。在蒂比茨看来，4D打印技术离不开合适的“智能材料”。这种“智能材料”应该是一种能感知外部刺激，能够判断并进行适当处理的新型功能材料，具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我诊断能力、自我修复能力和超强适应能力。“目前4D打印技术使用的材料只能感应水的刺激，但希望将来能找到可以感受光、声、热甚至时间的新型智能材料。”

3D技术方兴未艾,4D技术渐行渐近。不过，这项技术即便在大洋彼岸的美国也仅仅处于“实验室”阶段。记者采访的多位专家和企业负责人均表示，目前在中国发展4D打印，还存在诸多短板和需要加强的环节。

在冯涛看来，目前4D打印技术有两个短板，一是打印机的规模太小。“如果想打印大型工程用件，必须使用大型材料，要有高精度且可靠性较高的打印机，但目前来看，这种打印机的造价太高。”另一个就是人才储备的瓶颈。冯涛向记者坦言：“中国目前从事3D技术的主要研究人员还不到100人，具备4D打印技能的人员，就更少了。”

颜永年坦言，加工工艺、材料设计、装备制造等技术水平都是制约4D打印技术发展的主要障碍。“尤其是这种‘智能材料’产量并不大，价格也非常高，制约了4D打印向‘规模化’发展。”颜永年感慨。

宋延林告诉记者，4D打印的市场需求，目前并没有那么大，这是制约其发展的又一短板。不过，宋延林认为：“4D打印技术尚无法取代传统制造技术，但是在小批量、个性化的生产模式上具有独特的优势。”

潜在应用与未来前景

随着科技水平的迅猛发展，也许要不了多久，利用4D打印技术，科幻电影中的场景就会逼真地发生在我们身边：一根拐杖在下雨的时候就变成了雨伞；汽车也可能真的像变形金刚那样变成飞船……

谈到4D打印的潜在应用，蒂比茨透露，麻省理工学院自组装实验室正在与波士顿一家公司开展合作，开发创新基础设施管路制造方案。他说：“这种新型地下水管，可以自由地膨胀或收缩，以此来控制过水的流量和流速，或者还可以像蛇那样通过自身的蠕动来挤压，推动内部的水体流动。水管能够适应不同的容量或水流而自动进行扩张，免去挖掘的麻烦。而具有这种不可思议功能的管路并不昂贵，也不需要那些复杂的阀门控制系统，这就是该管路本身所具备的性质。”

有人甚至预测，4D打印技术将使得房屋建筑真的可以自动“长”出屋顶、承重墙。传统建筑过程一般是先设计出图纸和模型，再按设计施工建造，甚至还要一边搭建一边调整模拟的设计效果。不过，在4D打印的时代，产品将变得更加智能化和人性化，危险地区的工程将不再需要人的参与，桥梁、水坝、公路、房屋……一切都将按照设计自行建造。人们只需坐在电脑旁，根据自己的想法和需要，设计出适合自己的产品，然后轻点一下“打印”便大功告成。

宋延林认为，房屋建筑自动“长”出屋顶、承重墙以及下水管道按流量自动伸缩都可以“实现”。事实上，4D打印的核心材料“形状记忆合金”早已应用于工业和医学领域。比如，用形状记忆合金制作月面天线；作为牙科的齿形矫正器，温度上的调剂使其自动变成正常形状，以便将畸形牙齿矫正。宋延林表示，一些人对“4D”概念的认识有一定的偏差，“4D打印的效果并不是由‘时间’决定的，它的‘特殊功能’是由外部环境条件的变化而变化的”。

“4D打印赋予物品自我变形的性能，可以实现让物体在人们难以接触到的地方实现特定结构和功能。但目前已经报道的4D打印技术，第四维度的特性是通过外场响应的智能材料实现的，还难于实现较为复杂的结构与物品的制备。”宋延林告诉记者，在未来较长的一段时间内，4D打印可能主要还停留在试验研究阶段，真正的应用有待相关材料、特别是纳米材料的突破和规模应用。

颜永年在接受本报记者采访时表示，4D打印技术仍停留在实验室等研发阶段，目前尚不具备大规模应用的可能，“4D打印概念依然很飘渺”。不过，他对4D打印技术在我国尖端导弹武器以及月球车等军事、航天领域的发展前景颇为乐观。“这种可以‘自动组装和变化’的4D打印技术，可以更好地避免敌方的侦查。”

“炫”味儿十足的4D打印听起来让人们觉得不可思议。事实上，3D打印机从构想到广泛应用于生产、生活，只用了20年时间。在科技高速发展的今天，可以想象，4D打印走进人们的生活，应该就在不远的将来。