国内科技发烧友们对3D打印才刚刚有了一个朦朦胧胧的概念认知时，而美国的科学家们已经强势将4D打印从幕后搬到了台前。
什么是4D打印
听起来4D只是比3D打印多了一个数字，但实际上却是完全不同的概念。如果说3D打印就是用相应的材料按照之前预先建模的计划完全复制，那么4D打印则是直接将想要的性状输入材料当中，然后打印出来的物体会自动变形、组合出现，这听起来似乎神奇而玄妙。
用美国麻省理工学院的一句经典描述：在3D的基础上提出了第四个纬度时间，随着时间的推移，静止的物体能够变形和适应新的环境。4D打印其实就是使用可编程的智能材料实现物体的自我组装。4D打印之所以可以实现原材料自动成形，最关键的是记忆材料，这是一种无需打印机就能够让材料成形的革命性新材料技术。
微尺度机器人
从上世纪90年代初开始，已经有一些富有想象力的科学家开始在讨论可编程物体了。不过直到2007年，可编程物体的研究才获得了快速发展。当时美国国防部资助了一项“可编程物体”的研究，目标是设计和建造微尺度级别的机器人，能够组合或变形为更大型的军用系统，如实体展示器或专用天线。研究人员将机器人缩小到毫米级尺度，差不多相当于一根铅笔的粗细。
在几年时间内，他们已经成功地展示了体积微小的变形机器人。现在，科学家已经着手开发纳米级自主组装设备，可以用作生化传感器、电子设备，或是给药载体。科学家感兴趣的是如何实现可编程物体的尺度达到人体大小，在这一方面，4D打印无疑大派用场。同3D打印一样，4D打印也是通过逐层下料来构建物体。区别是，通过4D打印，可以制造出能在一定条件下改变外形或性质的物体。
如何使用4D打印来建造不需要传统机器人结构（马达、电线和电子设备〕的机器。在美国麻省理工学院里，研究人员展示了大量成果，其中就包括一种利用特殊聚合物制成的蛇形物，能在注水后折叠出字母“MI”（麻省理工学院的英文缩写）的形状，这种聚合体还能自动从“MIT”自动变成“SAL”（自动组装实验室的英文缩写）的形状；还有一种平面结构，可以自行折叠成八面体；以及一种平圆盘，在接触水时会变成弯曲的折叠结构。而美国弗吉尼亚理工大学的威廉姆研究小组又向前迈进一步，他们将4D打印同纳米材料结合在一起。在打印出的物体中嵌入纳米材料，就可以制造出能在电磁波（可见光和紫外光）的作用下改变属性的多功能纳米复合材料。例如，利用会在不同光照条件下改变颜色的嵌入式纳米材料，在这类新材料的基础上，该研究小组开发出了全新的传感器，能够植入医疗设备，用于测量血压、胰岛素水平和其他医学指标的极限数值。
美军很感兴趣
3D打印需要建模扫描，但是4D打印更加智能，原材料可以自动成型，这就大大简化了制造过程。美国陆军和海军已经开始了相关研究，希望能在战场或军舰上使用4D打印技术制造零件，以免除成千上万个零部件因运输和储存带来的巨大消耗，节约大量的时间、空间和费用。可编程物体的优势还不止这些，想象一下，在潜艇上备一箱智能材料，会有多么方便：如果潜艇的某个零部件损坏了，或者需要某种特殊工具，只需使用相应的智能材料，并对其进行编程，把它们制成所需的零部件或工具就可以了。工具用完后，还可以让它重新分解回智能材料，以备后用。
4D打印除制造一般零部件和工具等可编程物体外，还可以用于制造能根据外界环境及人体体征来调节温度的新型作战服。2014年，美国陆军投入了近100万美元，资助一项使用4D打印制造动态伪装的研究。将目光放得更远一些，再加上一些想象力，就可以预见，能通过形变来绕过或通过障碍物的机器人终将成为现实。
发展前景广阔
此外，不管是军用还是民用，可编程物体还可以在大型建筑领域一显身手。未来的椅子能够自己变成桌子，还有那些柔软的、能自我修复的输水管道。这样，就可以在不需要人工参与的情况下，建造出结构复杂的机器。想象一下可能出现的自组装建筑，它们不再需要砖头或浇灌混凝土，只需将相当于建筑体积的程控物质一股脑倒入地基，然后命令它们“生长”或“稳定”成最终的结构，同时其中的水电线路也一应俱全。虽然对于普通的民居来说，似乎不必弄得如此复杂，但若在交战区域或火星表面之类的恶劣环境下，这样的自组装房屋就变得非常有吸引力了。
在外层空间等恶劣环境中，这类系统尤其具有价值。例如，可以将一个小型压缩包发射到太空中，进入预定轨道后，就能自动变形为一颗具有特定功能的人造卫星。其他用于外层空间的设备也可以设计成多种用途，比方说太阳能面板阵列，在需要时能够变形成为抛物面天线或储物舱。
除此之外，还有能根据气压或温度变化自动调整形状的飞机机翼；能随路面和天气状况改变抓地面积的轮胎；自修补材料不仅可以保护飞机，也可以让桥梁在交通流量突增或地震等突发情况下确保安全；当然，还有自组装家具，几乎人人都希望能买到这样的东西：看起来只是一块平板，却能根据命令自动折叠出不同的家具。
（作者：梁姗姗）
