黑科技之「4D打印」

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來源：IP創(chuàng)新贏（ID：IP2win）

作者：邵文  審協(xié)北京中心光電部

原標(biāo)題：黑科技之4D打印【IP創(chuàng)新贏】

3D打印你一定聽說過，但4D打印你聽說過么？4D打印技術(shù)會讓產(chǎn)品變得“有智慧”、“有適應(yīng)能力”，甚至具有“創(chuàng)造力”。你想了解這是怎樣的黑科技嗎？別走開，聽小贏開講！

在切入正題前，先看看困擾女性的幾個世界性難題：

最近衣服又瘦了？

在路上和別人撞衫怎么辦？

衣櫥這么多衣服，為什么都是過時的？

有了下面這款產(chǎn)品，難題終于被破解了

就是這款“4D裙”。由美國麻省科技設(shè)計公司（Nervous System）制造，裙子不僅可以根據(jù)人的體型情況自我改變，還可以自動變化造型。（小贏也覺得很神奇，請合攏您的嘴巴，繼續(xù)往下看原理）

這款“4D裙”的布料纖維由2279個三角形和3316個連接點(diǎn)相扣而成，在拉力的作用下，該布料纖維結(jié)構(gòu)可隨人體體態(tài)變化而變化。所以，即使你變胖或變瘦，永遠(yuǎn)合身。這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：就是在空間3D加上了時間概念。所謂4D打印，也是在3D打印的基礎(chǔ)上增加一種隨時間或隨環(huán)境參量變化而改變其特性（例如變形或變色）和自我組裝的能力。

采用4D打印技術(shù)時，使用的材料可以自適應(yīng)、自編程改變形狀，能夠自動響應(yīng)所接觸到的水、空氣或者重力、溫度、磁性等的變化，從而變成為預(yù)設(shè)的模型?？梢哉f，4D打印技術(shù)比3D打印技術(shù)多了一種能力——變形，“這就像是機(jī)器人，只是沒有了電線和發(fā)動機(jī)”。

4D打印的產(chǎn)生和發(fā)展

微觀世界中的4D技術(shù)（或稱自我組裝）并不罕見，比如蛋白質(zhì)分子按照基因密碼的預(yù)先設(shè)定，組合形成各種細(xì)胞和組織。4D 打印技術(shù)便是將之宏觀化。

對其作出最大貢獻(xiàn)的，是麻省理工學(xué)院自組實(shí)驗(yàn)室的 Skylar Tibbits，他也是公認(rèn)的4D 打印的發(fā)明者。最開始的時候，Skylar Tibbits用3D 打印機(jī)設(shè)計了一組由嵌入式磁鐵制成的零散部件，將部件扔進(jìn)燒瓶里，用力搖晃，瓶中的部件就像有了生命一樣，自動組裝成了一個病毒的3D模型。

幾個月后，Skylar Tibbits見到了3D打印巨頭Strasys公司負(fù)責(zé)人，他們剛剛發(fā)明了一種可以在水里變形的高分子聚合材料。借助軟件設(shè)計，Tibbits 將這種可延展的材料和其他一些材料混合，打印出了一根細(xì)細(xì)的小棍，并拿著同樣的小棒參加了 2013 年的TED國際會議（Technology，Entertainment，Design），將這根小棍放入熱水中后，小棍按照事先設(shè)計好的組裝方案，慢慢扭曲變形成麻省理工學(xué)院的縮寫字母MIT。

去年，麻省理工學(xué)院（MIT）和新加坡科技與設(shè)計大學(xué)（SUTD）的研究人員們開發(fā)出了新的4D打印技術(shù)，可以讓打印出來的物體在幾秒鐘之內(nèi)，只需根據(jù)溫度的改變就由一種形狀“自動”轉(zhuǎn)變成另外一種形狀。以下是該團(tuán)隊發(fā)布的視頻截圖，小小的埃菲爾鐵塔只需要短短的幾秒鐘，就自動變直了。

今年，Tibbits和他的團(tuán)隊還打印出了世界上第一雙4D鞋，可以根據(jù)人腳的形狀和大小自我調(diào)節(jié)，附有彈性的材料可以讓制鞋的成本縮減到最小。目前，該技術(shù)已被阿迪達(dá)斯公司（adidas）用于Futurecraft4D鞋款的制造，該款鞋采用輕便透氣的Primeknit編織材料，中底使用可編程的液體樹脂，通過“數(shù)字光合成”的4D打印呈現(xiàn)，聽說將限量推出300雙，僅供官方親友搶先體驗(yàn)，有沒有很cool。

4D打印的相關(guān)專利

雖然4D打印技術(shù)在科研領(lǐng)域進(jìn)行的如火如荼，但是在專利申請方面還處于起步階段。目前國內(nèi)外涉及4D打印技術(shù)的專利申請寥寥無幾，申請方向主要集中在復(fù)合材料的制備以及技術(shù)應(yīng)用方面。

TWM483189U公開一種四維打印機(jī)構(gòu)，包括具有第一厚度的基材，基材上壓印若干凹痕，該基材的體積可隨溫度及濕度改變，相應(yīng)的凹痕的大小、形狀、深淺，凹痕之間的布局等也隨之變化，這樣例如在天熱時，凹痕可呈現(xiàn)“NO”，溫度適宜時顯示“YES”，使其具有智慧和感情，是不是很人性化？

CN104116578B將4D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過4D打印成型人工血管支架，這種支架采用形狀記憶聚合物作為原料，在植入人體時無需擴(kuò)張（或采用較小的擴(kuò)張力）即可到達(dá)指定位置，此后在外場激勵下發(fā)生彎曲、扭曲、膨脹等自我變形最終達(dá)到預(yù)設(shè)三維空間構(gòu)型。這種支架與血管內(nèi)壁的緊密穩(wěn)定貼合，降低擴(kuò)張過程對血管壁的強(qiáng)烈沖擊，降低血管壁撕裂風(fēng)險，可謂心臟病人的福音。

此外，CN106738875A公開了一種4D打印方法，利用該方法可以對成型構(gòu)件中主被動材料的幾何模型進(jìn)行設(shè)計、打印，從而實(shí)現(xiàn)可編程控制材料的曲率變化。

CN105602213B是關(guān)于4D打印使用的記憶微納米復(fù)合材料，該材料通過將奪氫型光引發(fā)劑、功能性微納米粒子、分子鏈中含活潑氫的物質(zhì)和低沸點(diǎn)高揮發(fā)性有機(jī)溶劑按照一定的質(zhì)量混合，經(jīng)過超聲處理得到的。

4D打印的發(fā)展現(xiàn)狀

如果你以為4D打印還僅停留在概念階段，那就OUT了。就在幾個月前，世界首列計算機(jī)輔助4D打印乳房重建術(shù)已獲得成功。

這個震驚世界的案例是由我國的第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院完成的，大夫?qū)θ橄侔┗颊哌M(jìn)行乳腺大范圍切除后，在缺損的乳腺組織處植入預(yù)先設(shè)計好的4D打印生物可降解材料填充物，成功進(jìn)行了乳房重建。該4D打印生物可降解材料填充物正是由西安交大負(fù)責(zé)研發(fā)的。填充物在設(shè)定時間可變形降解，在此期間內(nèi)，自體的纖維組織會逐漸生長進(jìn)入植物體內(nèi)，最終完全取代植入物，保證乳房外形。

難以想象，這種材料和這項技術(shù)的成功，將會給廣大乳腺病患者和希望豐胸美容的女性朋友帶來多大的福音。

4D打印的未來

4D打印技術(shù)潛力和未來發(fā)展是無限的，從日用消費(fèi)品到生物醫(yī)學(xué)實(shí)踐，從航空航天工業(yè)到體育界，從民用到軍用領(lǐng)域。它是3D打印技術(shù)的延伸，它使打印不再是創(chuàng)造的終極，而僅僅是一條路徑。事實(shí)上，3D打印機(jī)從構(gòu)想到廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活，前后只用了20年的時間。有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來，4D打印也將成為人類世界不可或缺的一項技術(shù)，讓我們拭目以待。

來源：IP創(chuàng)新贏（ID：IP2win）

作者：邵文  審協(xié)北京中心光電部

編輯：IPRdaily 趙珍  /   校對：IPRdaily   縱橫君

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