1.1 4D打印的诞生

手机展销会上，那些在极短的时间内制造出的琳琅满目的手机外壳（如图1-1所示）；在2012年伦敦奥运会上，那列由我国著名雕塑家黄剑女士创作的青铜群雕——《2012伦敦马球图》（如图1-2所示）；美国国家地理网站上，那只生活在3.9亿年前，浑身尖刺、硬甲覆盖的远古生物立体模型；在奥地利首都维也纳举行的Space for the city展览会上，展出的那个名为Morzinplatz-Schwedenplatz的城市规划模型……以上这些，都是利用3D打印技术制造的，范围涉及各类科学和工业领域，其应用范围之广、成品制作之新奇时常让人叹为观止。那么，号称比3D打印多一个维度的4D打印，究竟又将展示给人们怎样的视觉盛宴呢？

首先，需要对打印有一些基本的了解。如图1-3所示展示了1D到4D的概念模型。在日常生活中，人们普遍认知的“打印”就是2D打印，也就是在平面上进行的打印，包含X、Y两个维度。3D打印，通俗的理解就是在X、Y两个维度的基础上增加一个Z的维度，就构成了三维立体空间。

4D打印，顾名思义，就是在3D打印X、Y、Z立体维度的基础上增加一个维度T，即时间维度，这就意味着4D打印融入了时间，实现了空间维度与时间维度的统一。

你也许会问：“时间也是可以打印的吗？”在以前，人们会毫不犹豫地回答：“不可以。”

但是，在科学技术发展日新月异的今天，在美国斯凯拉•蒂比茨（Skylar Tibbits）的科学词典里，却有着截然不同的答案——时间是可以打印的。4D打印技术就可以打印出能随时间变化而改变的物体，而这种改变可以理解为自我组装。

1.1.1 4D打印诞生的标志

自20世纪70年代以来，计算机软件、印刷设备和材料等领域的科学技术日渐发展成熟，在此基础上，3D打印技术取得了长足的发展。现今，业内异常热闹，欲“毕其功于一役”，有种想要一举改变制造业模式的态势。虽然很多人仍对3D打印持观望态度，甚至是了解极少，然而社会的发展并不会以人们的接受与否为基准。俗话说：“你永远跟不上科技的脚步”，新技术总是以超乎预见的速度发展，正如智能穿戴在一夜之间就从科幻片中走出并进入了日常生活中一样。4D打印也是如此，在很多人还闻所未闻时，一夜之间便进入了人们的视野。

2013年2月25日至3月1日，在美国加利福尼亚州长滩，主题为“年轻、智者、未知”的TED（technology，entertainment，design，即技术、娱乐、设计）2013大会正如火如荼地进行。振奋人心的演讲，令人惊叹的照片，精彩纷呈。

其中，年仅28岁的美国计算机科学家、麻省理工学院（MIT）建筑部讲师斯凯拉•蒂比茨首次通过视频向外界展示了一个技惊四座的“魔术”——将一根奇特材质的线状物体放入水中，然后人们发现，这一线状物体竟如电影特技一般，慢慢发生扭曲变形，最终变形为“立方体”，如图1-4所示。这毫无悬念地收获了在场观众的惊叹和艳羡，也给世界科技界提供了又一新的可供思考和研发的项目。可以预见，这一技术将来得到广泛应用时，人们会永远铭记这一历史性时刻。

在斯凯拉•蒂比茨的TED大会演讲视频中，能在水中改变形状的线状物体是通过将吸水聚合材料与碱性塑料组合，通过3D打印机制造而成的，形成这类效果的技术被定义为4D打印。

这一实验向人们诠释了一种不同以往的制造理念和模式，产品是可以随时间“生长”、变化的，能够自我组装，这标志着4D打印的诞生。

1.1.2 4D打印诞生的背景

一种新的科学技术的诞生，总是在一定的社会大环境下发生的，不能离开现有社会的经济发展需求和人们的生活需求；另外，还必须具有一定的技术支撑，即必须在已有技术发展到相当程度且已能够支撑起新技术研发的基础时，新技术才会产生。4D打印的诞生也是如此。

概括地说，4D打印诞生的背景有3个方面，如图1-5所示。

1．传统制造业变革的需求

制造业一般是指加工工业，属于三次产业分类中的第二产业，在国民经济各产业中占有举足轻重的地位。

从最开始的纯手工制造到渐渐发展为后来的机器大生产、佐以人工操作，在这一发展过程中传统制造业可以说是饱经沧桑。

今天，随着社会科学技术的发展，制造业也相应地提出了新的变革需求，特别是自20世纪40年代，第三次技术革命（又称现代技术革命）开始并以迅猛的速度向前发展的情况下。

作为其主要标志的原子能、空间技术和电子计算机技术的广泛应用，尤其是信息技术革命的发展，引起了传统制造业领域的自动化与大发展，产生了高新技术制造产业。世界制造业的格局发生了重大的变化，如图1-6所示。

当前制造业发展的形势如图1-7所示。

现今，美国、日本等发达国家纷纷开展了大量的对策研究，调整产业政策与技术政策，提出了许多新概念、新思想、新观点，先后诞生了许多先进制造技术与系统，如图1-8所示。

这些先进的制造技术和系统使现代制造技术由传统意义上的单纯机械加工技术转变为集机械、电子、材料、信息和管理等诸多技术于一体的先进制造技术，实现制造业的高技术化。

美国政府的“新一代制造计划”和日本政府提出的3R环境保护的新概念向人们揭示了世界制造业的发展新趋势，即创造的全球化、技术的高级化、产业的集群化和制造的绿色化。

而现代制造业发展趋势赖以生存的信息技术发展对产品的设计理念及其实现提出了新的要求，一是在横向上以更宽的视野去看待产品设计，二是在纵向上更关注产品的整个生命周期，即从满足人的需求出发，进行产品创意、方案构思、试制、加工生产，直到营销、售后服务、产品毁弃处理。

新一代数控技术强调具有开放式、智能化的特征，各国正着力进行新一代开放式体系结构和具有智能型功能的数控技术的开发与研究。

目前全球工业已经进入4.0时代，如图1-9所示。

其核心是互联网对传统工业的渗透，从而使得传统制造业完成智能升级，如图1-10所示。

无论是对设计理念的重视及其实现，还是具有智能型功能的各种技术（如材料）的研发，抑或是产品整个周期的数字化，这些都为4D打印的诞生提供了技术的温床。

2．3D打印技术日渐成熟

3D打印自20世纪70年代出现以来，已经得到了长足发展。3D打印技术的应用领域正逐步拓展，通过与数控加工、硅胶模、金属冷喷涂等多种制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，如图1-11所示。

3D打印技术的发展日渐成熟，其表现如图1-12所示。

（1）3D打印技术应用领域拓宽，主要领域如图1-13所示。

以上所述标志着3D打印对社会发展的影响已从制造业领域的成品中走出，扩展到了其他领域，并进而影响了人类创新思维的方式，尤其是科学技术的研发方式。

据统计，2009—2011年的3年间，应用于航空器制造领域的设备市场份额由9.9%上升到了12.1%，医学领域的市场份额由13.6%上升到了15.1%。

（2）3D打印技术的研发状况与政策支撑。

① 3D打印技术的研发现状如图1-14所示。

② 政策支撑。

在3D打印这一新技术领域方面，美国政府投入了很大关注，最大程度上对其给予政策支撑，如图1-15所示。

3D打印把人工智能从计算机虚拟世界拓宽到现实世界，把3D打印机与计算机数字技术相结合，再加上当今社会互联网的日益普及，社会变革和科技革新由此爆发，4D打印应运而生。

3．互联网购物的普及

互联网购物，就是人们通过互联网检索所需商品信息，并通过电子订购单发出购物请求，然后提供私人支票账号或信用卡号码，最后厂商通过邮寄的方式或是通过快递公司送货。

随着互联网的普及，网络购物的优点更加突出，日益成为人们更乐意选择的一种重要的购物形式。这种购物方式最重要的一点是网上互动功能可以满足网民的多种需求。

影响众多网民购买商品的主要因素之一，就是其他消费者对这种商品的评价，如图1-16所示。

然而消费者进行网络购物的结果并不都能尽如人意，这一问题的具体表现如图1-17所示。

这些问题总是存在于网络购物中，一时无法得到解决。为适应这种发展需求，人们在寻求解决之道，力求在消费中找到满足自己设想的、无偏差的产品，于是新的科学技术诞生了。

3D打印的出现象征着个性化制作模式的出现，最大限度地满足人们的个性设计需求。而4D打印的诞生也需要一个内在需求动因，人们的想象是无穷的，幻想一些如“变形金刚”似的、可以通过内部改变以适应时间变化的产品，于是4D打印应运而生。

1.1.3 4D打印诞生的过程

在3D打印已经得到了长足发展的今天，斯凯拉•蒂比茨致力于塑造未来的发展方向——4D打印，所谓的第四维就是时间。这种新兴技术将会让人们打印出可以自我重塑、自我组装的物体。可以想象一下：一个打印出来的“立方体”在眼前完成自我折叠，或者一条打印出来的管道可以根据容量和流量需要自我膨胀或者收缩。

4D打印诞生的过程可分为3个阶段，如图1-18所示。

1．4D打印实验的开始阶段

该阶段的实验情况如图1-19所示。

据称，这一新技术的灵感来自于生物的自我复制。

众所周知，大自然中各种各样的生物都有一种本能使然的自我调节、适应和复制的能力。中国古代哲学也曾有言：“此两者同出而异名，同谓之玄。玄之又玄，众妙之门”，认为世界万物其本源是相同的。“同”是特别受到强调的，可以说“同之又同”，是认识天地万物的方法和关键。

斯凯拉•蒂比茨相信机器和建筑很快也能够自我组装、复制以及修复，因为这是自然系统的内在能力。于是，他在生物分子学教授亚瑟•奥尔森的指导下，设计了一组3D打印技术配合嵌入式磁铁的可以自我组装的零件，该零件在烧杯容器中感应到振动，自我组装成一个3D模型，如图1-20所示。这个实验就是4D打印的原型，4D打印的可行性由此得到了充分证明。

2．4D打印商业应用的探索阶段

该阶段的实验情况如图1-21所示。

斯凯拉•蒂比茨随后就4D打印技术商业应用进行了探索。在得知世界最大的3D打印机生产商Stratasys公司最新研发出了一种可以在水中自动延展到自身长度两倍的高分子复合材料时，他寻求与Stratasys公司共同研发。

斯凯拉•蒂比茨借助设计软件和3D打印机，将可延展和不可延展的两种材料混合打印成一线状物体，然后放入水中，只见这一线状物体慢慢扭曲变形，最终形成了麻省理工学院的缩写字母MIT，如图1-22所示。

3．4D打印实验的成功阶段

该阶段的实验情况如图1-23所示。

为了完善这一技术，斯凯拉•蒂比茨进行了更为复杂的二次实验，在其中加入了更复杂的算法和设计，从平面阶段过渡到三维空间层面，将要实现的自我变形的设计打印到线状物体中，然后把它放入水中，在水这一触发介质作用下，实现自我组装，变成“立方体”。

此次实验取得了重大突破，标志着4D打印技术的成功，为4D打印从实验室走向大众生活提供了可能。