黑科技之「4D打印」

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来源：IP创新赢（ID：IP2win）

作者：邵文  审协北京中心光电部

原标题：黑科技之4D打印【IP创新赢】

3D打印你一定听说过，但4D打印你听说过么？4D打印技术会让产品变得“有智慧”、“有适应能力”，甚至具有“创造力”。你想了解这是怎样的黑科技吗？别走开，听小赢开讲！

在切入正题前，先看看困扰女性的几个世界性难题：

最近衣服又瘦了？

在路上和别人撞衫怎么办？

衣橱这么多衣服，为什么都是过时的？

有了下面这款产品，难题终于被破解了

就是这款“4D裙”。由美国麻省科技设计公司（Nervous System）制造，裙子不仅可以根据人的体型情况自我改变，还可以自动变化造型。（小赢也觉得很神奇，请合拢您的嘴巴，继续往下看原理）

这款“4D裙”的布料纤维由2279个三角形和3316个连接点相扣而成，在拉力的作用下，该布料纤维结构可随人体体态变化而变化。所以，即使你变胖或变瘦，永远合身。这就是女性衣柜里缺的那件衣服！

什么是4D打印?

4D的概念大家都清楚：就是在空间3D加上了时间概念。所谓4D打印，也是在3D打印的基础上增加一种随时间或随环境参量变化而改变其特性（例如变形或变色）和自我组装的能力。

采用4D打印技术时，使用的材料可以自适应、自编程改变形状，能够自动响应所接触到的水、空气或者重力、温度、磁性等的变化，从而变成为预设的模型。可以说，4D打印技术比3D打印技术多了一种能力——变形，“这就像是机器人，只是没有了电线和发动机”。

4D打印的产生和发展

微观世界中的4D技术（或称自我组装）并不罕见，比如蛋白质分子按照基因密码的预先设定，组合形成各种细胞和组织。4D 打印技术便是将之宏观化。

对其作出最大贡献的，是麻省理工学院自组实验室的 Skylar Tibbits，他也是公认的4D 打印的发明者。最开始的时候，Skylar Tibbits用3D 打印机设计了一组由嵌入式磁铁制成的零散部件，将部件扔进烧瓶里，用力摇晃，瓶中的部件就像有了生命一样，自动组装成了一个病毒的3D模型。

几个月后，Skylar Tibbits见到了3D打印巨头Strasys公司负责人，他们刚刚发明了一种可以在水里变形的高分子聚合材料。借助软件设计，Tibbits 将这种可延展的材料和其他一些材料混合，打印出了一根细细的小棍，并拿着同样的小棒参加了 2013 年的TED国际会议（Technology，Entertainment，Design），将这根小棍放入热水中后，小棍按照事先设计好的组装方案，慢慢扭曲变形成麻省理工学院的缩写字母MIT。

去年，麻省理工学院（MIT）和新加坡科技与设计大学（SUTD）的研究人员们开发出了新的4D打印技术，可以让打印出来的物体在几秒钟之内，只需根据温度的改变就由一种形状“自动”转变成另外一种形状。以下是该团队发布的视频截图，小小的埃菲尔铁塔只需要短短的几秒钟，就自动变直了。

今年，Tibbits和他的团队还打印出了世界上第一双4D鞋，可以根据人脚的形状和大小自我调节，附有弹性的材料可以让制鞋的成本缩减到最小。目前，该技术已被阿迪达斯公司（adidas）用于Futurecraft4D鞋款的制造，该款鞋采用轻便透气的Primeknit编织材料，中底使用可编程的液体树脂，通过“数字光合成”的4D打印呈现，听说将限量推出300双，仅供官方亲友抢先体验，有没有很cool。

4D打印的相关专利

虽然4D打印技术在科研领域进行的如火如荼，但是在专利申请方面还处于起步阶段。目前国内外涉及4D打印技术的专利申请寥寥无几，申请方向主要集中在复合材料的制备以及技术应用方面。

TWM483189U公开一种四维打印机构，包括具有第一厚度的基材，基材上压印若干凹痕，该基材的体积可随温度及湿度改变，相应的凹痕的大小、形状、深浅，凹痕之间的布局等也随之变化，这样例如在天热时，凹痕可呈现“NO”，温度适宜时显示“YES”，使其具有智慧和感情，是不是很人性化？

CN104116578B将4D打印技术应用于医学领域，通过4D打印成型人工血管支架，这种支架采用形状记忆聚合物作为原料，在植入人体时无需扩张（或采用较小的扩张力）即可到达指定位置，此后在外场激励下发生弯曲、扭曲、膨胀等自我变形最终达到预设三维空间构型。这种支架与血管内壁的紧密稳定贴合，降低扩张过程对血管壁的强烈冲击，降低血管壁撕裂风险，可谓心脏病人的福音。

此外，CN106738875A公开了一种4D打印方法，利用该方法可以对成型构件中主被动材料的几何模型进行设计、打印，从而实现可编程控制材料的曲率变化。

CN105602213B是关于4D打印使用的记忆微纳米复合材料，该材料通过将夺氢型光引发剂、功能性微纳米粒子、分子链中含活泼氢的物质和低沸点高挥发性有机溶剂按照一定的质量混合，经过超声处理得到的。

4D打印的发展现状

如果你以为4D打印还仅停留在概念阶段，那就OUT了。就在几个月前，世界首列计算机辅助4D打印乳房重建术已获得成功。

这个震惊世界的案例是由我国的第四军医大学西京医院完成的，大夫对乳腺癌患者进行乳腺大范围切除后，在缺损的乳腺组织处植入预先设计好的4D打印生物可降解材料填充物，成功进行了乳房重建。该4D打印生物可降解材料填充物正是由西安交大负责研发的。填充物在设定时间可变形降解，在此期间内，自体的纤维组织会逐渐生长进入植物体内，最终完全取代植入物，保证乳房外形。

难以想象，这种材料和这项技术的成功，将会给广大乳腺病患者和希望丰胸美容的女性朋友带来多大的福音。

4D打印的未来

4D打印技术潜力和未来发展是无限的，从日用消费品到生物医学实践，从航空航天工业到体育界，从民用到军用领域。它是3D打印技术的延伸，它使打印不再是创造的终极，而仅仅是一条路径。事实上，3D打印机从构想到广泛应用于生产、生活，前后只用了20年的时间。有理由相信，在不远的将来，4D打印也将成为人类世界不可或缺的一项技术，让我们拭目以待。

来源：IP创新赢（ID：IP2win）

作者：邵文  审协北京中心光电部

编辑：IPRdaily 赵珍  /   校对：IPRdaily   纵横君

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