数字建筑与增强打印技术：4D打印的产生与发展

2013年 2月，随着一项3D打印过程的完美演示——3D 打印机用“特殊墨水”打出 的“智能材料”与水接触时自动折叠成字母“MIT”结构 ，美国麻省理工学院自组装实验室主管、TED2012（Technology，Entertainment，Design）高级研究员斯凯拉·蒂比茨 （Skylark Tibbits）在TED2013会议上首次公开展示了他与美国全球 3D 打印技术引领者 Stratasys 公司合作突破的4D打印技术成果。他们开发的这种遇水 可以发生膨胀形变（150%）的亲水智能材料，利用了3D 打印技术将硬质的有机聚合物与 亲水智能材料同时打印，二者固化结合构成智能结构。3D打印成型的智能结构在遇水之后，亲水智能材料发生膨胀，带动硬质有机聚合物发生弯曲变形，当硬质有机聚合物遭遇到临近硬质有机聚合物的阻挡时， 弯曲变形完成，智能结构达到了新的稳态形状。

图6-14　由4D打印技术制造的亲水智能材料和硬质有机聚合物智能结构发生变形

（1）4D 打印概念

无论 3D 还是4D，其概念是基于广义空间描述参量的，3D打印中的3D是指描述现实世界中物体结构几何尺寸的3个空间维度变量（如 x，y，z）。不言而喻，4D打印中的第4维是时间维度t。但需指出的是 ，就概念的技术内涵而言 ，在 4D 打印中t是广义的 ，它是可表征一切4D打印材料中所隐含的可变参量的总代表。以颠覆传统产品“减法”加工的加工方法为“加法”加工的3D打印技术，给制造业带来了革命性的技术变革。但这一变革仍无法改变产品加工完毕后，其结构与功能均就此固结的宿命。而4D打印技术则是在3D打印多样化“墨料”的基础上增加一种随时间t或随环境参量变化而改变其特性（变形或 变色等）和自组装的能力，其核心在于能创造出在打印完毕后其存在模式可通过自主调整发生改变（即非单一固结模式）的物体。该技术将会打印出可自我重塑或自我组装的物品，让你的想象力充分驰骋：打印出的特型物体在你眼前魔术般地完成自我缩叠或展扩；打印出的 管道依据需求自主膨胀或收缩。

（2）4D 打印技术的产生与发展

2011年，蒂比茨提出了材料自组装的概念， 并进行了一系列探索性研究，这正是4D打印技术的雏形和基础。

由美国科罗拉多大学波德分校力学工程系副教授杰瑞·齐和新加坡技术与设计大学的马丁·杜领导的科研团队，将拥有“形状记忆”能力的聚合纤维混入传统3D打印技术使用的复合材料中，最终制造出的具有一定形状的产品，后来能变形为另一种形状。马丁·杜表示：“在这一实验中，最初的产品架构由3D打印技术完成，接着，‘形状记忆纤维’的编程活动开始启动，为这一架构制造出第四个方面——时间依存。我们制造出了可以基于不同的物理力学原理自动变形的复合材料，从而对 蒂比茨的 4D 概念进行了扩展。使用‘形状记忆’复合纤维为复合材料制造出满意的形状变化， 关键在于纤维的设计架构，包括其位置、方位等。”

该研究团队证明，复合材料内纤维的方位和位置决定了形状记忆效果（比如折叠、卷曲、拉伸或者扭曲等）可以到达的程度；而且，可以通过对复合材料进行加热或冷却来对这种效果进行控制。

齐说，3D 打印技术已经“芳龄”30了，但直到最近，活性纤维才能被整合进复合材料内， 这样，当得到的产品遭受热或机械力时，人们可预先对其行为进行控制。(www.xing528.com)

现代制造业中，几乎每一领域都存在大量繁杂不堪的装配工作。蒂比茨在组织制作建筑模型的过程中耗费了大量人力、财力。试想如果使物理材料增添一种自组装能力，必将会使制造业产生革命性的变革。因此他决定率其团队研究如何通过给物理材料编程来使其具备自主重构的能力　。

事实上，随着科学技术的发展，在微纳米技术领域业已开展了一些智能材料的自组装研究。如美国麻省理工学院已研究出通过编程可改变形状、性能的材料，甚至有计算能力的物理或生物材料，开发诸如 caDNAno 等三维造型软件，再辅之以DNA技术的使用，可使这些智能材料具有功能结构自我组装能力，进而建造成纳米机器人或药物输送系统。

然而，在宏观世界技术领域，大量问题尚未具备像微观世界利用微纳米科技来解决的有效途径，如在建筑和制造领域，存在大量的能源使用效率低下，劳动力过度浪费等迫切需要解决的问题。在基础设施建设中，以水管为例，复杂而又固定的输水管道掩埋于地下，不仅有固定的流向且与昂贵的水泵相连。此种情况下，任何微小的变化，如环境改变、地表变动或受人为因素影响（如拆迁）造成的改变，都需把水管挖出来后进行更换。

在此背景下，蒂比茨首先提出了将基于纳米科技的可编程材料与建筑设计相融合的思想。这种结合并非是自动化机械，也不是智能机械对于人类劳动力的取代，而是通过应用可编程材料， 实现自我建模和重组装。在阐述4D打印技术时，蒂比茨是这样描述的：“由3D打印的结构件实现宏观尺度上的自我重组装，即成为4D打印技术。该打印技术源于对复合材料的使用。正是复合材料， 给打印后的产品增加了一种变形和自组装能力。当产品打印完毕后，它可直接自主地从一种形状变为另外一种形状，如同没有电线和发动机的机器人一样。”

国内西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室对4D打印技术进行了初步研究。该组研究利用FDM技术制造IPMC智能材料。该组将 Nafion 颗粒状材料利用热挤塑技术制备出 Nafion 丝材， 通过调整喷头温度将 Nafion 丝材融化挤出，根据所需的三维实体结构逐点累加固化成型。之后将制备出的Nafion 三维实体结构通过浸泡还原镀、化学镀和电度的方法在 Nafion 材料表面制备金属电极。目前，该组还在研究利用导电聚合物以及水凝胶与导电颗粒混合体作为IPMC 电极材料，通过调整这两种材料的流动性可以进行挤出成型，这样 IPMC 的电极材料同样可以通过 3D 打印技术制备。采用4D打印技术制备出的IPMC尽管在性能上与传统方法制备出的IPMC有差距，但是该种方法可以制备出任意复杂形状的IPMC三维结构，克服了传统制备方法只能制备片状IPMC的困难。

该课题组对DE材料的3D打印技术也进行了研究。利用3D打印技术制造的DE材料在两侧电极加载电压后，随着时间可发生厚度方向的收缩和平面面积的扩张变形，实现DE材料的4D 打印技术。DE材料的4D打印技术为今后制造任意复杂形状DE智能材料结构与柔性机器人的发展起到重要推进作用。该组进一步研究了形状记忆聚合物（SMP）的3D打印技术。利用FDM打印技术，SMP材料在喷头内被加热熔化，喷头将熔化的材料挤出，材料冷却逐点累加固化形成任意形状SMP三维实体结构。采用3D打印技术制造的SMP智能材料结构，具有形状记忆功能，通过调节环境温度，SMP智能结构可随着时间发生形状结构的变化，实现SMP材料的 4D打印技术。

（3）4D 打印技术的应用展望

在 TED2013 会议上， 蒂比茨展望了4D打印技术的应用前景。首先，谈到了极限环境（如宇宙环境）下，因设备庞大、复杂、风险大、成本昂贵等特点，传统的制造技术难以胜任的问题。而4D打印的技术优势可以完成目前制造技术不能完成的任务，同时还能提高性能，增加系统间的联系与协同。在基建领域，应用4D打印制造出可以变形的管道，可以改变流速、流向等，省去高成本水泵改造或避免由外界变化而导致的水管重新改建问题。

4D打印作为一种新兴技术手段应运而生，它的出现，必将给制造业、建筑业及基础设施建设等领域带来翻天覆地的变化，推动整个社会的进步。同时，该项技术除了将给制造业带来革命性冲击外，也对各行各业发展、革新提供了重要机遇和挑战。材料的可编程性和可变形特性，不仅能节省资源、降低成本、减少人力、提高效率，而且由于它具有自主组装或重组特性，可以做到自我控制而无须外加人力因素干扰控制。这在机电系统或武器系统的研发中具有重要意义。如导弹引信安全系统若能随弹道环境在适应改变安全与解除保险状态间转换，而无须其他附加控制，则会显著提高弹药作 用的可靠性。应用4D打印技术，可以减少系统的复杂性；利用4D产品的可变形和可编程性，会显著提高系统控制精度；该技术与微纳米技术结合，有利于系统的智能化与微小型化。4D打印技术是多领域新技术融合的体现，它将微纳米技术和制造业、建筑业等行业相结合，又涉及复合智能材料的研究，虽然目前仍处于初级研究阶段，但可预见4D打印技术在未来有着广阔应用前景。