4D列印：顛覆製造業的新科技

想像一下，從家具店買回一張平板，用吹風機加熱後它就變成了沙發。再想想，有一種支架能在病人的動脈中精準擴展，完美適應病人獨特的身體構造，這是多麼神奇的事。歡迎來到4D列印的世界，這是材料與製造科學領域的新前沿，在過去十年間迅速發展。

3D列印因能一層一層地創造物體而受到全球矚目，而4D列印則加入了時間這個元素。它是用聚合物或合金等材料進行3D列印，製造出可適應環境的物體，這些物體接觸到熱或潮氣時會彎曲、扭曲或完全轉變形態。突破了靜態設計的限制，4D列印在醫學、航太、機器人技術和建築等領域開啟了無限可能。

最近，我作為主要作者在《智慧材料與結構》期刊上發表了一篇全面的報告，梳理了這個領域的進展與挑戰。我們勾勒出了這個產業的潛力，展現了一個智慧材料重新定義設計與製造的未來願景。

以下是4D列印可能帶來變革的一些主要領域：

就像我前面提到的支架一樣，4D列印讓即時創造出適應病人需求的植入物和假肢成為可能。從事這些創新研究的團隊中，有由馬德里IMDEA材料研究所協調的Biomet4D項目，他們正在開發用於骨頭嚴重受損或有缺陷患者的智慧、可生物降解的金屬植入物。這些植入物能隨著骨頭的生長改變形狀並擴展，比靜態植入物更有效地支撐骨頭。

另一個重點領域是更智慧的給藥方式。例如，中國吉林大學的一個研究團隊製造出了4D列印的水凝膠膠囊，其外部結構在病人體內保持完整，直到達到特定溫度，比如感染發生時，這意味著藥物只在需要時才會起效。這在需要在精確的時間和位置向病人體內釋放藥物的情況下非常有用。

將4D材料整合到機器人和可穿戴設備中，能讓它們根據環境調整功能。例如，哈佛大學威斯生物啟發工程研究所的研究人員根據摺紙原理開發出了受熱時會改變形狀的自摺疊機器人設備。一個潛在的應用場景是將這些設備送到難以到達的環境中執行任務，比如深海。

同樣，澳大利亞迪肯大學的科學家正在研究具有可變剛度的4D列印機器人關節，這有助於康復治療。例如，當使用者試圖拿起某物時，手臂可以變得更硬，使其更容易提起物品。

在太空的極端環境中，適應性至關重要，因此4D列印材料也能發揮作用。例如，美國國家航空航天局（NASA）的噴射推進實驗室使用4D列印的金屬太空織物。這些織物可以折疊、改變形狀，並適應不同的熱和機械環境。這使它們適用於廣泛的太空應用，包括保護太空船免受隕石撞擊、隔絕極端溫度，以及適應木星最小的衛星——冰冷的歐羅巴上的不平地形。

目前4D列印的能力相當卓越，但該領域仍面臨重大挑戰。雖然我們現在可以精確創造出能轉變形態的材料，但仍需要更多研究來確保它們具有生物安全性和長期耐用性。此外，要擴大生產以滿足工業需求，特別是對於高解析度設計或奈米級結構，不僅需要新技術，還需要全新的製造思維方式。成本也是另一個障礙——目前專用材料和工藝往往過於昂貴，難以廣泛應用。

然而，4D列印的前景十分誘人。其中一個巨大的吸引力在於可持續性。從能調節流量的水管到能自我調節二氧化碳水平的建築，4D列印為適應性系統創造了可能性，有助於實現可持續發展目標。一個典型的例子是斯圖加特大學計算設計與建築研究所開發的太陽門。受松果遇陽光張開的啟發，這扇門由一系列4D列印的纖維素擋板組成，可以安裝在建築物中，根據特定的濕度和溫度水平開啟和關閉。它們在冬天向上捲起以讓熱量進入，夏天則展平以阻擋直射陽光。這展示了如何在不依賴空調等外部能源的情況下提高建築物的能源效率。

與此同時，人工智慧已經在加速4D列印的進展，通過優化4D列印物體的設計和性能，幫助研究人員更精準地控制這些智慧材料在不同條件下的反應，而不必過多依賴反覆試驗。

這仍然是一個年輕的產業，風險投資有限，人才隊伍也才剛剛起步。但隨著越來越多的研究機構和公司認識到它的潛力，創新的步伐應該會加快。根據一份報告，未來五年該行業預計將以每年約35%的速度增長。

目前，諾丁漢特倫特大學的4D材料與列印實驗室和4D列印協會正在開發能按需恢復或改變形狀的結構。例如，我們已經4D列印出了能隨體溫自動擴展的醫用支架。我們還在開發用於船隻護舷和汽車保險杠的材料，這些材料可以通過加熱恢復形狀以消除凹痕，此外還有適應形狀的骨折手指夾板和自組裝、超舒適的家具。

所以，下次你對3D列印的能力感到驚歎時，請記住：未來屬於4D列印，在那裡材料將煥發生機，重新定義明天的可能性。