自2013年4D打印概念被首次提出以來， 4D打印技術吸引了廣泛的關注。4D 打印技術最初被定義為“3D 打印技術 + 時間”，即第四個維度為時間。 目前，4D 打印技術， 廣義地定義為智能材料或結構在打印完成后，在外界刺激（如溫度，濕度與光照等）下，其形狀、性質和功能隨著時間發生特定的演變。相比于傳統3D打印技術，4D打印增加了一個時間的維度，而具有以下的優勢：1）具有刺激響應性能的打印構件可用于智能器件；2）打印薄壁與點陣結構可以大幅節省打印材料與時間；3）形狀改變特性可用于減少存儲空間與方便運輸。

4D打印技術利用不同的3D打印方法，實現打印的智能材料與結構在外界刺激下的形狀與功能的演變，用于智能器件、生物醫用與超材料等。

近日，美國佐治亞理工學院機械工程系的H. Jerry Qi 教授在《先進功能材料》雜志上發表特邀綜述，回顧了4D打印技術的發展歷史，從材料的角度重點介紹了4D打印技術中最廣泛研究的3D打印形狀可變高分子材料研究進展。4D打印技術發展源于智能/功能材料，3D打印技術和模擬/設計等交叉學科的快速發展。文章概述了已報道的，基于不同刺激響應特性、打印方法與變形機理的單一材料與多材料打印技術， 用于形狀可變結構的3D打印。4D打印結構中至少有兩個穩定狀態， 打印形狀在外界刺激下響應而轉變到另外一個狀態。3D打印材料形狀轉變的基本機理，是直接利用打印智能材料刺激響應性，或者利用打印過程或打印結束以后在智能材料/結構中引入的本征應變（或應變失衡）在外界刺激下的響應。 其中，單一材料4D打印技術，主要包括3D打印單一的形狀記憶材料與液晶彈性體，而后者具有刺激響應的可逆形狀轉換能力。復合材料/多材料4D打印技術，包括3D打印水凝膠復合材料/多材料、纖維增強活性復合材料、雙層結構復合材料、形狀記憶多材料以及梯度溶脹/脫溶劑的多材料等。文章也簡單介紹了4D打印多功能材料的進展，包括4D生物打印與3D打印自修復材料等。

4D打印技術的發展，包括智能/功能材料，3D打印技術和模擬/設計等多學科的發展。

綜述對4D打印技術的發展趨勢作了展望。首先，高分辨率，快速與多材料的3D打印方法發展利于多尺度復雜結構的制備。4D打印技術中應用最主要的3D打印方法是噴墨打印、擠出打印，而近年來快速發展的數字光處理打印技術在將來的4D打印技術具有巨大的潛力。 其次，新型的多功能打印墨水的開發，進一步拓展多功能4D打印。形狀記憶材料與水凝膠復合材料是目前使用最廣泛的4D打印材料，刺激響應性、多功能的智能材料的開發與應用于3D打印， 滿足提高材料性能與響應速度，以及拓展變形驅動機理。最后，理論模型與設計方法的研究可用于精確預測與優化變形形狀。 例如，拓撲優化方法可以用于優化打印形狀與目標變形形狀的設計； 而仿生設計不但可以啟發高性能材料與功能材料的制備，還可以用于指導特定形狀可變結構的設計。 隨著將來3D打印方法，智能/功能材料與設計/模擬方法的發展，4D打印技術的進一步發展與成熟，將滿足包括軟體機器人、智能器件、生物醫用、組織工程、電子與國防安全等諸多領域的應用需求。該綜述近期發表在《先進功能材料》（Adv. Funct. Mater.） 上，博士后匡曉博士是文章的第一作者，H. Jerry Qi教授為通訊作者。

參考文獻：

X. Kuang, D. J. Roach, J. Wu, C. M. Hamel, Z. Ding, T. Wang, M. L. Dunn, H. Jerry Qi. Advances in 4D Printing: Materials and Applications. 2018, 

doi.org /10.1002/ adfm.201805290 

全文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201805290

來源：高分子科學前沿