在咖啡吧使用的咖啡杯，可以根据咖啡的温度调整形状;从家具卖场买回的沙发，可以根据你和家人的体型变换不同的尺寸……2014年，4D打印激发了很多人的向往。虽然4D打印目前还并不成熟，但这项技术有望给多个领域带来革命性的变化。

　　4D打印走进人们的视野，源于一年前麻省理工学院自我组装实验室的科学家斯凯拉·蒂比茨的一次演讲和现场演示。2013年2月，在美国加州举办的著名的TED大会上(指technology、 entertainment、 design在英语中的缩写，即技术、娱乐、设计)，他将一段绳状物体放入水中，物体即能自动折成预先设计的形状，这让很多人惊奇不已。

　　原来，斯凯拉·蒂比茨在绳状物体中复合了两种核心材料，一种合成聚合物在水中可膨胀至超过原体积的两倍，另一种聚合物则在水中可变得刚硬。整个过程是按照设计图先将两种材料复合，通过吸水的物质膨胀，驱动接头处移动，最终创造出预先设定的几何变形。而变形速度主要取决于水温和吸水材料的属性。 这种不用打印机器就能让材料快速成形为打印者想要的东西，无疑是一项革命性的新技术。
 

　　▲ 通过吸水的物质膨胀，驱动接头处移动，最终创造出预先设定的几何变形。而变形速度主要取决于水温和吸水材料的属性
 

　　4D打印，比3D多了个时间的维度

　　所谓4D打印，是指3D打印出来的材料能自主组装。4D打印技术，比3D打印技术多了一个时间维度，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。

　　工信部赛迪智库装备工业研究所所长左世全表示， 4D打印是在3D打印过程中采用自我变形材料，在计算机辅助设计的导引下，经过层层堆积生成零部件的加工工艺，让被打印物体可以随着时间的推移而在形态上发生变化。该项技术的特性在于，它创造出来的是智能的、有适应能力的物体。

　　北京化工大学材料科学与工程学院教授苑会林表示，由于4D打印依靠的是有记忆功能的材料，不能想当然地将4D打印理解为3D打印的升级。

　　事实上，4D打印与3D打印相比的确有了很大的不同，4D打印技术让快速建模有了根本性的转变。与3D打印技术的预先建模、扫描，然后使用物料成形不同，4D打印技术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，其让物体如机器般“自动”创造，不需要连接任何复杂的机电设备。就传统而言，造物过程一般是，先模拟后制造，或者一边建物一边调整模拟效果，而通过硬件和软件的紧密结合，4D打印技术颠覆了传统的造物方式。

　　记忆合金为4D打印打下了基础

　　华南理工大学材料科学与工程学院教授邓文礼表示，早已问世的记忆合金已经为4D打印打下了很好的基础。

　　1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

　　1963年，美国海军武器实验室布勒博士小组发现，由钛、镍等金属材料合成的合金对它自己原有形状有着十分惊人的“记忆力”。经过“形状记忆训练”的钛镍合金材料在较低温度，可以轻易地改变其形状，而一旦温度达到设定值时，便迅速恢复其原有形状，同时具有很高的强度和力学性能。

　　▲ 用记忆合金材料制作的“铁制菊花”在温度高于65℃时花瓣会展开，温度低于65℃时花瓣会收拢

　　形状记忆合金所具有的“形状记忆”和“超弹性”两大特殊功能，引起了国际材料科学界的极大兴趣。从此，世界各国对形状记忆合金这种新材料的研究、开发方兴未艾。但记忆合金的开发还是最近几十年的事情，这些年在世界很多国家都有了比较广泛的应用，例如美国将记忆合金应用于宇宙飞船的天线和F-14战斗机钛合金液压管路的连接，日本等国则主要在玩具、医学领域取得一定进展。

　　我国近20年来对形状记忆合金的研究应用一直紧跟世界潮流，目前已跻身于该学科的前沿地位，在医疗领域取得的成就尤为突出，比如开发出了形状记忆合金“长骨接骨板”“髌骨爪”等系列骨科内固定手术器械。一些权威的骨科专家认为，形状记忆合金骨科器械避免了传统骨科内固定手术中钻孔、楔入、捆扎等人为性损伤性操作，减缓了患者的痛苦和医生的劳动强度，“是传统骨科器械理想有效的变革性器材”。

　　目前发现具有“记忆”形状能力的合金已达80种，被应用的主要是镍钛合金材料，其经过后期的锻造、拉丝及热处理，就会变成记忆合金。虽然记忆合金的原理现在科学界还不十分清楚。但很多学者认为，记忆合金之所以能恢复原来的形状，是由于“记忆因子”的作用。

　　4D打印都能干什么?

　　记忆合金已在航空、军事、工业、农业、医疗等领域都有着用途，因其在各领域的特效应用，正日益广为世人所瞩目。但按照一些科学家的设想，4D打印不仅仅限于记忆合金，未来这项技术牵涉到众多对特殊材料的应用，只要这些材料能够感知到运动状态，或是暴露于水、空气、重力场、磁场或感知到温度改变时能够改变自身的形状，就能够被用于4D打印。而现在，研发这些材料就成为4D打印的关键。

　　目前，美国已经在4D打印方面展开了前沿性的应用探索。美陆军首席技术官格雷丝·博赫内克表示，防弹衣未来可能会采用4D打印技术。陆军在过去十年中一直在努力满足防护服的双重需求——既有保护作用，又足够的轻盈，不会给士兵增加负担或限制动作。利用4D打印，科学家未来可能开发出轻薄小巧的防弹衣，便于储存和携带，但也可以伸展开并提供全面的防护。

　　2013年10月，美国陆军研究办公室宣布，他们已经授予某大学的三位研究人员85.5万美元资金，用于开发4D材料，希望将这项技术变为现实。此外，这一技术还可以应用到自行车、建筑甚至是家具等生活用品领域。有科学家认为，这一技术的发明预示着家具自我组装时代的来临。

　　不远的将来，4D打印不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物，还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业，它将让制造行为在一些严苛的环境条件下如外太空，变得更加容易，因此与此前的3D打印相比，它将具有更大的发展前景。

　　中关村有为数不少的记忆合金研发机构和企业，目前中关村也计划在这个领域开始布局，当4D打印技术袭来，对这些企业而言，则意味着一次新的飞跃。■