穿越時間？4D列印真能這麼牛嗎？

一千多年前，

2D

活字印刷

現世，我們可以在紙面上“複製”文字。

隨著

3D列印技術

的出現，我們可以列印立體的物品。例如，一朵立體的花。

那有沒有一種技術可以讓這朵花跟上現實時間的腳步，像真花一樣隨著太陽昇起，慢慢綻放呢？

當“隨時間變化”也被考慮至設計

圖源：harvard

也許

4D列印技術

可以做到！

2013年，MIT的科學家

Skylar Tibbits

在TED演講中首先提出了

4D列印

的概念。4D列印在3D列印的基礎上，加入了

“時間”

這一個維度，能夠

讓一個物品在離開了印表機後根據外界環境改變自己的形狀

。

4D列印的時間概念

圖源：sculpteo

想要實現4D列印，離不開對於

智慧材料

的應用。智慧材料是一種可以根據外界因素改變自身形狀的材料。

舉個例子

，有一些

聚合物

可以對水做出反應，遇水可以吸水膨脹。如果我們根據材料的特性，將會膨脹的聚合物與不會膨脹的材料按照一定規律排列，再透過3D列印技術精準地控制變形區域的角度，就可以讓一根線在沒入水中時透過膨脹摺疊“自我組裝”，呈現出特定形狀。

好的MIT，知道是你發明的了

圖源：MIT

而不同的智慧材料也賦予了4D列印物品不同的反應機制，除了可以吸水膨脹的材料之外，還有不少材料能對燈光、酸鹼性、磁場、重力、氣壓等外界條件做出反應。

目前，4D列印技術仍然處於搖籃時期，但一些與4D列印相關的技術已經在製造業、醫療行業、甚至是藝術領域逐漸成型。

現代的製造業是一個十分繁瑣浪費的過程。如果想要製造一個椅子，我們需要分別製造凳腿、木板，再用螺絲或是膠將不同部件連線起來。在這個過程中也會產生不少被浪費的邊角料。而如果利用3D列印，又會出現另一個問題——3D列印技術受限於

列印物品的大小

。在製作大型物品時，需要做出零部件、再進行組裝，這個過程十分耗時耗力。

現代製造業會產生大量廢棄物

圖源：time。com

4D列印為未來的製造業帶來了另一種可能性——也許可以在印表機中列印佔地面積小的物品，再讓它們

自行擴張、自動組裝

成最終產品的樣子？

卡內基梅隆大學的研究團隊開發了一款特殊的

4D列印程式碼

。這種程式碼可以根據預先設定好的模型，計算所需要的

列印速度

和

列印規律

，從而使成品在

加熱後

按照預先設定好的規律摺疊。如此一來，從印表機中打印出來的成品只是一片堅硬的塑膠板。但在加熱後，這片塑膠板就會根據預先設定好的規律，進行摺疊。

設計摺疊規律

圖源：dezeen

材料按照設計好的時間和規律摺疊成了花

圖源：dezeen

用熱風槍加熱後，這些平板將會自行摺疊，變成花朵、椅子、小兔子等不同形狀。雖然現在的4D模型仍然非常小，也並不牢固，但這項技術為現在的製造業提供了新的可能性。利用4D列印技術製造軟體設計好原型，而後列印好的原型自動組裝成預先設定好的形狀，這大大減少了新品開發以及製造的成本，減少了生產過程中造成的浪費。

每1000個小孩中，就有一個

尿道狹窄患者

，有一些兒童甚至在胎兒時期就面臨著尿道狹窄的問題。如果無法成功排除尿液，尿道狹窄將會對小孩的腎臟造成負擔，甚至致命。

在很久以前，

心血管支架

就被應用於治療心血管堵塞。將包裹支架的氣球放到血管狹窄的部位，氣球擴張時，支架被撐開。最後再將氣球洩氣、抽出，留下支撐血管的支架。這樣的方法確實有效，但胎兒的尿道要比心血管

狹窄

得多，曾經的技術很難製造出能夠適用於胎兒尿道的支架。

小氣球把支架撐開，留下最貼合血管的支架

圖源：rsc。org

2019年，蘇黎世聯邦理工學院間接地利用4D列印技術製作出了比原有支架小上40倍的

迷你支架

。他們首先利用鐳射，製作出了一個支架模具，並將記憶材料裝入模具，最後將模具融化。這種記憶材料可以

“記住”

自己原本的形狀，即便變形也能夠恢復到原有的結構。因此，在壓縮排入胎兒體內後，受到體溫的影響，這種微型支架可以

自行擴張

成原有的形狀，幫助擴張胎兒的尿道。

迷你支架

圖源：rsc。org

雖然現在這種微型支架還無法用於臨床測試，但科學家認為這種利用4D列印的技術是未來更多

微創手術的敲門磚

。

利用4D列印技術，我們可以創造出隨外界環境改變的物品，這也給

藝術領域

帶來了更多可能性。一位來自紐西蘭的設計師Nicole Hone就利用不同材質的樹脂材料以及多種材質的4D列印技術製作出了一系列幻想中的

“未來水生植物”

。

未來水生植物

圖源：nicolehone

透過搭配不同硬度的材料，Nicole可以設計出這些魔幻生物的外觀以及行動。在一個密封的充氣閥門中，這一系列水生植物作品在壓力的作用下，像是有生命一般不斷舞動。

來 say hi

圖源：nicolehone

4D列印技術也為未來的特效攝影帶來了更多可能性，原本只存在於數字媒體中的奇幻生物，也可以透過4D列印變得觸手可及。

作為一個尚在發展初期的技術，4D列印仍然面臨著許多

功能性

與

實用性

的問題，但4D列印所帶來的無盡可能性仍然令人興奮。

未來，我們的城市

也許會變成這樣

：供水系統不再依賴於水泵，深埋地下的

水管

自動根據周圍的環境變換著形狀，避免爆水管，同時幫助送水。

圖源：smithsonian

想要一件新的裙子？可以自己設計後列印一件。一團小小的

布料

也可以展開成為一整件專屬於你的禮服。

“魔法”禮服

圖源：pringer

開車出門，

車子的外殼

會根據氣流自動變化，保證安全性同時減少能耗。

十幾年前，3D列印技術還是一個僅存在於工業場所或是實驗室的技術。而今天，我們甚至可以購買家用3D印表機，按照自己的想法設計模型。隨著技術的進步，4D列印也有可能逐漸走進我們的城市，給我們的生活帶來現在尚且難以想象的可能性。

參考資料：

· https：//www。jiemian。com/article/4299951。html

· https：//www。sarcos。com/products/guardian-xo-powered-exoskeleton/

· https：//www。bigrentz。com/blog/construction-exoskeletons

· http：//news。yangtse。com/zncontent/785333。html

· https：//ieeexplore。ieee。org/document/9408629

· https：//www。science。org/doi/10。1126/science。aba9947

· https：//www。x-mol。com/news/679256

· https：//www。nytimes。com/2021/08/18/well/move/exoskeleton-suit-walking-running。html

· https：//www。nbcnews。com/mach/innovation/robotic-exoskeletons-are-changing-lives-surprising-ways-n722676

鳴謝：

清華大學化學系博士 化學工程師 孫亞飛

為本文提供科學指導。

— END —

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯絡原公眾號

編輯：just_iu