1.2 4D打印概述
4D打印技术可让物体随着时间的推移进行自我变化，其发展的关键是设计的软件和复合材料。
此技术的提出震惊了全世界，向人们展示了一个崭新的有关制造业的科学视角，有着与3D打印不一样的理念和发展，而这些恰是科学技术在传统制造业方面有待突破的领域。自然，4D打印也引发了世界各界的热烈关注、议论与评价。
然而这种技术需要一种可以创造多层材料的特制3D打印机，且现在可用材料有限，有待进一步研发与实验。就目前来说，该技术仍面临诸多难题。
1.2.1 什么是4D打印
据陈根教授解释，4D打印超越你我认知。在传统的维度概念中很难认知和理解4D的概念，从1D、2D到3D都是基于物理空间的维度层面，即视觉器官能直观理解的层面。而4D中新增加的时间维度是看不见、摸不着，但又时刻存在的，这也是目前对于4D打印的一种表述——4D打印，打印时间。
4D打印，可以说是“智能材料的增材制造”，这种材料能够自动变形，将设计通过软件编程植入材料中，材料便能够根据设计的程式在相应的时间或环境触发介质下进行自我组装、自我调节而实现外在形态的改变，把这种材料放入水中（以后也可能发展为在光、热、声音和力中等），就能按照产品的设计自动折叠成相应的形状。斯凯拉•蒂比茨告诉参加TED大会的观众：“这就像是没有线和电机的机器人。”
陈根教授对其作了一个生动的比喻，如图1-24所示。在他看来，如同人类繁衍过程，4D打印可以理解为：每一条染色体所蕴藏的基因密码，便是物体最原始的设计程序编码；而人这一生的成长过程，也就是人类这个“4D打印物”，在时间这个第四维度基于万物环境的“催化”而发生的组织变化。从设计程序编码植入复合材料，到通过3D打印技术制造出来，这一过程就是4D打印。
图1-24 4D打印与人类繁衍
4D打印本质上就是利用复合材料进行的3D打印，用这种材料打印出来的产品增加了一项功能，那就是自组装与自变形，如图1-25所示。
图1-25 4D打印产品的自组装、自变形能力
4D打印牵涉对智能材料的应用，这种智能材料在感知到运动状态，或是暴露于水、空气、磁场、重力场中，或者在温度发生改变时，会改变自身的形状。
1.2.2 4D打印的原理
无论是传统制造业还是3D打印，其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。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。
4D打印的流程如图1-26所示。
图1-26 4D打印流程
首先对材料进行编程，使其能够对某些刺激做出反应，如冷、热和湿度等，再把已经编程的材料用3D打印机打印出来。这些物质中的粒子在编程的基础上形成纽带，从而可以使材料打印纽带将材料塑造成某种形状。
4D打印在现今的研究中有两种表述，具体如下所述。
（1）从维度系数方面来说，4D打印＝3D打印＋时间，如图1-27所示。
图1-27 4D打印的诠释1
（2）从产品属性和功能方面来说，4D打印＝3D打印＋自组装，如图1-28所示。
图1-28 4D打印的诠释2
综上所述，4D打印的总的诠释如图1-29所示。
图1-29 4D打印的诠释3
4D打印是一种无须打印机器就能让材料快速成型的革命性新技术。
显而易见，设计的软件和能够自动变形的材料是4D打印实现的关键。其中，在斯凯拉•蒂比茨的MIT实验中能够自动变形的复合材料的表现和形状记忆合金（shape memory alloy）看起来类似，但从斯凯拉•蒂比茨在演讲视频中关于这一项目的介绍可以发现，它们完全不同。
复合材料是通过Autodesk公司新研发的软件Cyborg，能进行自我组装和可编程的模拟材料，进行编程模拟，使得材料按照预先设定好的时间发生形状变形，实现设计的优化和材料的折叠。
而形状记忆合金，就好像这种合金拥有“记忆”效应一样，在外力作用下发生变形，当把外力去掉，在特定外部条件下会恢复“记忆”中的原来形状。形状记忆合金是由于具有百万次以上的恢复功能而得名的。在形状记忆合金变形中，物体已经被设定完成，而不是被制造。
照斯凯拉•蒂比茨的话说，让物体如机器般自动制造，而不是先设定好物体，然后再制造。他正是基于Objet Connex在3D打印上的表现，在4D打印时所采用的即是通过3D打印完成材料建模，同时在自下而上刷树脂的过程中用芯片或塑形变化等达到使材料在特定时间完成形变的目的。
1.2.3 4D打印的相关评价
毋庸置疑，每一种具有前瞻性、走在科技前沿的新事物的出现都会引发大的思想风暴。在3D打印方兴未艾，还需有一个成熟的过程的时代，骤然又提出了具有相似性但明显更符合人们的想象需求、更具诱惑力的4D打印，所产生的反响可以预见。下面主要介绍国内外对该技术有重大影响的相关评价。
1．国外
美国《外交》双月刊网站2014年10月8日登载了一篇题为《准备迎接4D打印革命》的报道，作者为牛津大学圣安东尼学院荣誉学者纳伊夫•鲁赞。他在文章中就4D打印实验指出，斯凯拉•蒂比茨实验中的材料是通过将吸水聚合材料与碱性塑料相结合来实现实验效果的。
他还在文章中对4D打印技术的应用前景以及它将带来的风险与负面影响进行了详细论述，如图1-30所示。
图1-30 纳伊夫•鲁赞对4D打印技术的前景预测
最重要的是，纳伊夫•鲁赞在文章中对4D打印这项技术的研究做了如下表述，如图1-31所示。
图1-31 纳伊夫•鲁赞对4D打印技术的表述
正如中国航空工业发展中心对该文章进行的概括，如图1-32所示。
图1-32 中国航空工业发展中心对4D打印的评价
2．国内
目前，4D打印技术还处于概念阶段，但作为一种新技术，还是在我国掀起了4D打印的热潮，国内对4D打印的评价也是众说纷纭，如图1-33所示。
图1-33 国内关于4D打印的评价
1.2.4 4D打印的意义
从宏观方面说，4D打印颠覆了传统的造物方式，是在3D打印造物方式上的再一次重大变革，化传统造物工艺形式于无形，彻底地改变了传统的工业制造方法，如图1-34所示。
图1-34 4D打印技术使造物方式发生的变革与发展
从微观方面来看，4D打印能够创造出具有智慧、有适应能力和自组装能力的新事物，如图1-35所示。
图1-35 自主造物的产品
总的说来，4D打印物料通过硬件和软件的紧密结合，颠覆传统制造业和3D打印方式，合成有刺激响应组件及预测系统时序行为能力的、不是构建一个静态或简单地改变其形状的物件。
4D打印带来的变化，是对模具制造、生物科学、材料科学、机器人、交通运输等领域更大的革命，将彻底改变当前制造业的业态形式，如图1-36所示。
图1-36 4D打印的自组装钢坦克玩具
4D打印概念诞生的意义不仅仅表现在它的造物方式方面，更多的是促进了打印材料的研发。
在李涤尘院士看来，4D打印就是3D打印技术与智能材料性能的结合，是智能材料结构用于3D打印机，感应到外界环境的刺激，随着时间推移实现自身的结构组装、变化。他认为，4D打印技术的进步更多的是依赖材料本身，而非打印技术，且这种材料必须是具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性和环境适应性等功能的智能材料。
人们可能已经注意到，上面反复提及的智能材料是4D打印的关键。因此，4D打印技术概念的提出首先要求有更适合的智能材料的出现，因而它最关键的是将促进智能材料的研发，这是4D打印技术应用最迫切需要解决的问题。美国研究人员对4D打印智能复合材料的研发已走在世界前列。
（1）科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）机械工程学院。据报道，目前，美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员将“形状记忆”聚合纤维置入传统3D打印使用的复合材料中，生产出在某一形状上的固定对象，而这一形状稍后会变为一种新的形状，其情形如图1-37所示。
图1-37 科罗拉多大学博尔德分校机械工程学院
（2）美国陆军研究办公室。他们宣布，已经斥资85.5万美元，用于开发4D打印复合材料，希望将这项技术变为现实。
这些是4D打印智能材料研发的巨大推动和支撑，反过来也将为4D打印产品的各种应用带来令人兴奋的可能性。如他们研发可调节的碳素纤维，用于可随天气而改变形状的车翼，或是可随热量而改变的喷气发动机，如图1-38所示。
图1-38 碳素纤维制造的4D打印车翼和发动机
在4D打印这一新技术中，除了智能材料这一关键因素外，设计的软件也是至关重要的，它是智能材料这一原料能够实现“智能化”的基础。
为了充分发展和应用这一新技术，Autodesk公司的研发团队进一步设计了新软件Cyborg，可以用于自我组装和可编程的模拟材料，实现设计的优化和材料的折叠。随着4D打印技术从概念走向应用的推进，研发新的设计软件已成为迫切需求且已成为必然。科学无国界，先进的科学技术及其产品是可以在各领域适用的。
1.2.5 4D打印对经济产生的影响
在市场经济条件下，人们总能就各领域的异动作出迅速的反应，4D打印概念股就是如此。虽然4D打印仍然处于概念阶段，犹如镜中花、水中月，并未进入应用阶段，但A股市场的炒作对其却毫不吝啬，引爆了A股市场的4D打印行情，如图1-39所示。
图1-39 4D打印概念股横空出世
4D打印刚一提出，也就是2013年3月，4D打印概念股“领头羊”法尔胜盘中快速拉升封涨停，博云新材、西部材料、圣莱杰、博威合金等均强势跟风涨停。而推动这些个股涨停的最主要因素，就是突然热炒的4D打印概念。
经济分析师称，该类个股多为游资爆炒，上述多家公司并未涉及4D打印。然而3D打印技术尚未成熟，4D打印却已风靡股市。经过数日游资爆炒，多支概念股逆市上涨。
由于4D打印的关键技术在于与记忆合金类似的智能复合材料，和该类材料相关的上市公司也因此受到游资的青睐。
分析人士也坦言，此次游资炒作主要介入的就是材料方面。连续两日涨停的法尔胜及圣莱达均是涉及记忆合金，英力特则是与光敏树脂相关。
针对此种情况，分析人士认为，市场近两年热衷于概念炒作。基于前期市场对3D打印概念的炒作，中航重机一度在半个月内股价翻番，相关概念股均出现大涨的情况，4D打印概念一出现就令投资者热情高涨。但业内分析人士告诫股民们，作为一个理性的、目光精准的投资者，应该把握好买卖时机。
而4D打印概念股对个股游资爆炒作出的反应如图1-40所示。
图1-40 4D打印概念股对游资炒作的反应
需要注意的是，市场普遍认为4D打印只是纯粹的概念炒作，因为材料瓶颈限制了该项应用，这也是目前3D打印面临的主要难题。
1.2.6 4D打印的应用与研究进展
4D打印是一项尚处于概念阶段、有待研发的新技术，目前还不具备大规模应用的可能。
现在，世界上利用这一技术制造出的唯一一件能在日常生活中得以应用的成品是美国“神经系统”（Nervous System）设计工作室利用3D打印技术制成的4D打印连衣裙，如图1-41所示。
图1-41 4D打印连衣裙
这件4D连衣裙有3316个连接点，通过这些连接点把2279个打印块连在一起，堪称为模特量身定制。整件裙子耗费1900英镑（约合1.85万元人民币）、用时48小时制成。
有此4D打印成品制成的可能性验证，该技术极可能走出实验室，未来在生活和科学领域得到广泛应用。
目前，4D打印尽管还处在概念阶段，但世界科技领域关于这项技术的研发一直未停止，并在该技术领域的研究又有了新进展，那就是将具有“形状记忆”特点的聚合纤维通过3D打印技术纳入到复合材料中，制造出来的物体经过一段时间会变成另外一种指定的形状。
已知，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员在4D打印技术领域的研究取得了可喜的新进展。该校机械工程教授H．Jerry Qi领导的团队和新加坡理工大学的Martin L．Dunn合作开发并测试了一种4D打印方法。研究员将具有“形状记忆”特点的聚合纤维通过3D打印技术纳入到复合材料中，从而使制造出来的物体经过一段时间会变成另外一种指定的形状。这一进展为自适应复合材料的4D打印技术在制造、包装和生物医学领域的应用提供了可能性。
美国军事领域对4D打印技术的研发尤为重视，畅想了未来4D打印应用的无限种可能。
美国陆军首席技术官格雷丝•博赫内克表示，今后防弹衣制造可能会采用4D打印技术。陆军在过去十年一直在努力满足防护服的双重需求——既有保护作用，又足够轻盈，保证不会给士兵增加负担或限制其动作。利用4D打印技术，科学家未来可能研发出便于储存和携带的轻薄小巧的防弹衣，它们可以伸展开并提供全面的防护，如图1-42所示。
图1-42 4D打印的防弹衣
格雷丝•博赫内克还指出，4D打印“延续了3D打印，并添加了变形维度”。其想法是，当处于不同环境下，例如，水中或者极端温度下，3D打印出来的部件的性能可以随之改变。
另外，美国陆军部已经开始利用3D打印技术研发用于阿富汗前线的新装备。4D打印技术则可以让军方制造出具有能适应各种地形的外壳多变的车辆，或能发现有毒气体的军队制服。
尽管对4D打印的研究一直在进行且取得了一定的进展，但是仍要认识到，4D打印还只停留在概念领域，欲谈产业化发展，还为时尚早。