4D打印的案例
3D打印方興未艾，4D打印研發(fā)加速！
4D打印研發(fā)取得新進(jìn)展
隨著技術(shù)的不斷成熟，利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品已經(jīng)成為了未來打印行業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展的重要途徑。與此同時，世界各國也加緊了對于4D技術(shù)的研發(fā)，一些國家和地區(qū)已經(jīng)在4D打印方面已經(jīng)取得了一些新成果。
近日，據(jù)媒體報道，香港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊已經(jīng)在4D打印技術(shù)方面取得了新的突破。針對陶瓷熔點較高、現(xiàn)有的3D印刷陶瓷前體通常很難變形、制造復(fù)雜形狀的陶瓷困難重重的狀況，該團(tuán)隊開發(fā)出了一種新型的“陶瓷墨水”材料。
據(jù)悉，該新型材料是聚合物和陶瓷納米粒子的混合物，采用這種新型陶瓷墨水打印出來的3D陶瓷前體非常柔軟，可以實現(xiàn)拉伸到初始長度3倍的良好效果。同時，運用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕@些柔韌且可拉伸的陶瓷前體就可用于制造具有復(fù)雜形狀的陶瓷，這對于打印具有多種形狀的產(chǎn)品是大有助益的。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，陶瓷4D打印系統(tǒng)為擁有復(fù)雜形狀且質(zhì)地堅固的陶瓷產(chǎn)品未來實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)提供了條件。雖然說目前的4D打印技術(shù)還處在研發(fā)階段，采用4D打印技術(shù)來生產(chǎn)制造產(chǎn)品還沒有普及開來，但是在多方共同努力之下，未來的4D打印技術(shù)可以在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、航空航空產(chǎn)品的制造方面發(fā)揮出巨大的作用，并成為我國相關(guān)行業(yè)實現(xiàn)發(fā)展的新引擎。
處于信息化時代、為在全球化競爭中獲取更大的優(yōu)勢，世界各國在前沿技術(shù)方面的競爭將會日益激烈。隨著3D打印技術(shù)與實體經(jīng)濟(jì)的結(jié)合程度日益加深、4D打印技術(shù)的研發(fā)不斷提速，相關(guān)行業(yè)將迎來快速變革時期，在重重考驗中逐步發(fā)展壯大起來！
展開 4D打印形狀記憶牙齒矯正器來了，1副4D牙套=10副3D牙套
2022年2月11日，南極熊獲悉，來自德國、埃及和阿聯(lián)酋的研究人員開發(fā)了一種新型的4D打印透明牙齒矯正器，與目前市場上的矯正器不同，它是由形狀記憶聚合物制成的，具有"4D "形狀記憶功能。
據(jù)了解，他們開發(fā)的正畸裝置使用Kline Europe的透明ClearX樹脂，采用DLP工藝3D打印而成，一旦戴到用戶的嘴里就會變軟，能夠適應(yīng)、抓緊和重新定位錯位的牙齒。到目前為止，這種矯正器不僅具有生物相容性，而且證明能夠隨著時間的推移可預(yù)測地改變特性，有可能成為當(dāng)前透明牙套的理想替代品。
△研究人員認(rèn)為，他們的牙齒矯正器可以大大降低矯正器生產(chǎn)的相關(guān)成本，圖片來自Prodways
4D牙齒矯正器的好處
當(dāng)前的矯正器由不同類型的聚合物制成，例如聚乙烯材料、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚酯和聚氨酯。這種矯正器的工作原理是，通過編程設(shè)計牙齒的位置與實際牙齒位置之間的偏差，來控制牙齒移動。在市場上大多數(shù)流行的矯正器系統(tǒng)中，每個矯正器只能使牙齒移動 0.2 到 0.3 毫米，或每次旋轉(zhuǎn)1°至3°，每個矯正器要佩戴大約 14 天，然后更換下一副矯正器。因此，牙齒的矯正周期很長，而且成本很高，一般需要幾萬元。
△視頻：當(dāng)前商業(yè)化隱形牙套矯正牙齒的過程
新矯正器材料的引入引起了研究人員的關(guān)注。形狀記憶聚合物 (SMP) 是最近引入牙科領(lǐng)域的新型材料之一，特別是用于正畸應(yīng)用。它們?yōu)獒t(yī)療材料的應(yīng)用提供了巨大的潛力。
四維打印（4D打印）技術(shù)是基于形狀記憶材料的3D打印。顯然，在給定的環(huán)境條件下，4D 打印部件具有隨時間（第四維度）改變形狀的能力。隨著形狀記憶聚合物材料的不斷發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)中的新 4D 打印應(yīng)用有望增長。研究人員將 4D 技術(shù)引入正畸矯正器的制造中。
展開 Dan Wellers，SAP數(shù)字期貨主管，“3D打印將擴(kuò)展到4D打印”
Simulation，PLM，CAD，Digital Twin，Industry 4.0都有一些非常大和有影響力的公司垂涎花生醬和果凍三明治，這是數(shù)字和制造的結(jié)合。如果我們要發(fā)展數(shù)字化制造和3D打印，那么我們的軟硬件資產(chǎn)必須通過軟件進(jìn)行管理和控制。我們用3D打印替代的傳統(tǒng)制造部件越多，就必須通過軟件包監(jiān)控和訪問更多的文件，設(shè)置和過程信息。這部分解釋了Dan Wellers對3D打印的興趣以及對該技術(shù)的熱情。
什么是4D打印？
基于現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，4D打印使用的動態(tài)材料，當(dāng)這些材料遇到諸如水、光、熱或電流等變化的條件時，其性能有所不同。這些材料 - 水凝膠、形狀記憶聚合物、碳纖維、定制紡織復(fù)合材料等，具有使物體能夠自組裝、重塑自身或以其他方式對變化的事件或條件作出反應(yīng)的特性。這就被稱為4D打印，因為它包含了通常被稱為第四維度的東西：時間。
為何如此重要？
4D打印可以擴(kuò)展目前在原型設(shè)計、設(shè)計、制造和后期制作適應(yīng)性和使用方面可實現(xiàn)的目標(biāo)。例子包括：用于倉庫和物流公司的自動展平箱；能夠根據(jù)流量或水需求改變直徑的管道系統(tǒng)。
由于其自組裝能力，大到不能通過傳統(tǒng)3D打印機(jī)打印，物體可以被壓縮用于打印，然后在制造之后擴(kuò)展。4D打印也可用于消除家具組裝的普通問題。此外，研究人員還證明了4D打印中使用的智能材料如何能夠使物體“記住”其形狀。
3D打印有多重要？
3D打印代表了制造業(yè)中設(shè)計和生產(chǎn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將對從物流到延伸供應(yīng)鏈到貨運的所有方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。3D打印消除了傳統(tǒng)制造中固有的許多設(shè)計和生產(chǎn)限制。
在過去的幾年里，3D打印在使用不同材料的方式上取得了進(jìn)步，不僅是塑料，而且金屬、樹脂、砂巖、蠟和陶瓷也越來越多地同時使用多種材料。
人和機(jī)器將來如何協(xié)同工作？
展開 天津大學(xué)4D打印軟體機(jī)器人：打印出來即可無約束的滾動
2021年10月9日，南極熊從天津大學(xué)獲悉，天大封偉教授團(tuán)隊制造一個智能的、對觸覺敏感的4D打印軟體機(jī)器人。這個基于液晶彈性體的機(jī)器人，當(dāng)加熱到160℃以上后變形為管狀，可以實現(xiàn)無約束的自由滾動。該研究成果在《細(xì)胞》出版社旗下頂尖期刊《物質(zhì)》發(fā)表。
△滾動中的4D打印機(jī)器人
“軟體機(jī)器人能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，實現(xiàn)與人類更安全地交互。” 封偉教授介紹，3D打印可以基于數(shù)字模型自動準(zhǔn)確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為復(fù)雜零件，為軟體機(jī)器人制造增加“時間”維度——即4D打印。
△打印原理
將智能材料加工成具有對熱刺激響應(yīng)行為的動態(tài)結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊在此基礎(chǔ)上通過4D打印對液晶彈性體智能材料進(jìn)行精確加工，直接獲得了具有感知能力和適應(yīng)性的智能軟體機(jī)器人。
△機(jī)器人能夠滾動爬坡
在這項研究中，封偉教授團(tuán)隊利用4D打印技術(shù)制造了一個管狀體，曲率為機(jī)器人提供了可持續(xù)的定向滾動能力。一個10厘米長的機(jī)器人在水平面上可以達(dá)到超過48厘米/分鐘的最大速度，并爬上大約20°的坡度。較長的管狀物滾動速度更快，穩(wěn)定性更好，這確保了機(jī)器人對復(fù)雜地形的適應(yīng)性。
該管狀自主軟體機(jī)器人通過對熱的感知，可以自主改變自身形狀進(jìn)而調(diào)整運動速度和方向。自主控制滾動方向的特性使得這種軟體機(jī)器人有類似昆蟲觸角的觸覺感知能力，讓它能夠探測前方道路上的障礙物，根據(jù)障礙物的高低實現(xiàn)翻越或折返。
“當(dāng)樣品機(jī)器人以一定角度放置在傾斜的加熱板上時，樣品依然可以向上自主滾動。” 封偉教授說，“這種自主軟體機(jī)器人的整個驅(qū)動過程是自動的，無需改變環(huán)境因素，機(jī)器人就能夠在脫離人工控制的情況下完成任務(wù)。”
鑒于材料和結(jié)構(gòu)的靈活性，機(jī)器人的觸覺感應(yīng)能力與昆蟲的觸角相似。
展開 
4D打印從民用到軍用的追求
一個普通的背包，可在海水中變成救生艇、在野外露營時變成帳篷；一根普通的排水管道，可根據(jù)水流量膨脹或收縮、在破裂時自我修復(fù)；一個普通的沙發(fā)，可隨著就坐客人的高矮胖瘦調(diào)整形狀……曾經(jīng)出現(xiàn)在哆啦A夢四維空間袋里的神奇事物，正隨著4D打印這一技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，一一成為現(xiàn)實。
從“3”到“4”的突破
當(dāng)前，3D打印風(fēng)光無限，咋又出了個4D打印？看上去后者就比前者多個“1”，其實是多了時間維度。4D打印是在3D打印的技術(shù)基礎(chǔ)上，通過事先設(shè)定好形狀記憶纖維的變化，讓產(chǎn)品外形隨著時間而產(chǎn)生改變。這就意味著，4D打印出來的東西，不再只以固定的形態(tài)存在，而是可根據(jù)前期設(shè)定的時間，在溫度、濕度等特定條件下，自動折疊成相應(yīng)形狀，甚至可制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制作出的外形。同時，在打印過程中可摒棄復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備連接和人類員工參與，大幅降低生產(chǎn)制造成本，縮短產(chǎn)品研制周期。
不論是從未來科技發(fā)展趨勢，還是從當(dāng)前挖掘科技價值的方向來看，4D打印既是一種生產(chǎn)工具的革命，又是一種由生產(chǎn)材料改變而引發(fā)未來整個生態(tài)結(jié)構(gòu)方式改變的技術(shù)，比3D打印更具備前瞻性和顛覆性。
從實驗到應(yīng)用的跨越
智能材料的高標(biāo)準(zhǔn)需求、催動材料變形的軟件設(shè)計，都是4D打印的發(fā)展瓶頸。“敏于觀察，勤于思考，善于綜合，勇于創(chuàng)新”，人類正是靠著這樣一種能力，跨越難關(guān)，驅(qū)動科技進(jìn)步。
從2013年美國麻省理工學(xué)院開展4D打印實驗開始，很多國家就著手在軍事、醫(yī)學(xué)、生活等領(lǐng)域探索此類技術(shù)應(yīng)用。2015年初，第一件鏤空4D連衣裙和第一雙4D鞋子問世，一定程度上實現(xiàn)了“量體裁衣”。隨后，4D打印水凝膠材料研發(fā)生成，這種水凝膠預(yù)計會在未來城市水網(wǎng)改造、醫(yī)學(xué)器官再造和航天器等方面發(fā)揮出重要作用。理論雖已成為實物，但4D打印主要應(yīng)用場景仍在實驗室里。
展開 4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的研究進(jìn)展
形狀記憶聚合物是一種在外界刺激條件下產(chǎn)生形狀變化的智能材料，4D打印是基于可變形材料和3D打印技術(shù)的一種綜合性技術(shù)，可變形材料中形狀記憶聚合物的應(yīng)用最為廣泛，目前4D打印形狀記憶聚合物在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用，如生物醫(yī)療、航空航天、電子器件等領(lǐng)域，其智能化和可定制化的特點在生物醫(yī)療領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值。4D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域個性化訂制的技術(shù)瓶頸，為生物醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的契機(jī)近年來，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究和關(guān)注。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授研究團(tuán)隊對4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行全面而系統(tǒng)的綜述。他們首先對形狀記憶聚合物材料的響應(yīng)機(jī)理及形變激勵條件（如溫度、濕度、電場、磁場、pH等）進(jìn)行了解析，也對4D打印原理進(jìn)行了闡述，同時詳細(xì)介紹了4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的實例和應(yīng)用價值，包括血管支架（圖4）、氣管支架、細(xì)胞支架、骨支架、心臟支架、乳房支架、仿生肌肉等。該團(tuán)隊還總結(jié)了4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景（圖3）、最后，該團(tuán)隊對目前4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域存在的問題進(jìn)行了探討，并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
圖4 4D打印形狀記憶血管支架在外加磁場的作用下發(fā)生形變的示意圖[34]
圖3 4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用及潛在應(yīng)用
相關(guān)文章發(fā)表于《中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》雜志，相信這篇綜述對相關(guān)領(lǐng)域的研究者具有重要的參考價值。
全文連接：
http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N092018-00153
來源：高分子科學(xué)前沿
展開 機(jī)電一體化多功能4D打印工藝
△使用3D打印技術(shù)制作的電路板。圖片來自Neotech
4D打印的進(jìn)展
當(dāng)3D打印物體的形狀隨著時間發(fā)生變化時，它被稱為4D打印。在很大程度上，4D打印仍處于初創(chuàng)階段，隨著研究人員尋求改進(jìn)和理解這一過程，以釋放其潛在的應(yīng)用，4D打印已日益成為多項研究的主題。
去年3月，新加坡科技與設(shè)計大學(xué)（SUTD）和南洋理工大學(xué)（NTU）開展了一個研究項目，最終使3D打印材料在沒有外力的情況下來回改變其形狀。
同時，來自得克薩斯州萊斯大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新方法，使4D打印中的變形材料得到更多控制。這種技術(shù)允許3D打印物體在暴露于溫度、電流或壓力變化時被操縱成不同的形式。
與之相似，Link?ping大學(xué)的一個研究小組為軟體微型機(jī)器人生產(chǎn)了一套配備4D功能的微執(zhí)行器。這些3D打印的執(zhí)行器含有一種電活性聚合物，打印后會改變形狀，研究人員認(rèn)為他們的工作顯示了低成本3D打印微型機(jī)器人小型化的巨大潛力。
△可逆的4D打印結(jié)構(gòu)。圖片來自SUTD
3D打印人才短缺！
《2021年高考志愿：哪些學(xué)校有3D打印/增材制造專業(yè)？》
南極熊正在打造一個全國 3D打印專業(yè)院校庫 ，歡迎查看。
展開 Science子刊：呂堅團(tuán)隊全球首創(chuàng)陶瓷4D打印！
香港城市大學(xué)呂堅教授研究組全球首次實現(xiàn)了陶瓷的4D打印。8月17日，相關(guān)研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”為題發(fā)表在Science Advances上。這種4D打印結(jié)合了3D打印，自變形組裝（Self-shaping assembly），和彈性體衍生陶瓷（Elastomer-derived ceramics，EDCs），在大尺寸陶瓷結(jié)構(gòu)的形狀復(fù)雜程度，機(jī)械強度，制造成本，和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力上實現(xiàn)了突破，有望廣泛應(yīng)用在太空探索，3C電子產(chǎn)品，航空發(fā)動機(jī)，防彈軍事裝備，和高溫微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中。
4D打印一般是指在3D打印的基礎(chǔ)上增加一個時間維度，使得在一定刺激（譬如熱，水，磁場，電流，紫外線等）下，3D打印物體的形狀和功能隨著時間發(fā)生可編程變化。4D打印技術(shù)之前大都應(yīng)用在聚合物材料中，之前報道的可以3D打印的陶瓷前驅(qū)體材料通常較難發(fā)生自變形，限制了陶瓷4D打印的發(fā)展。有鑒于此，呂堅教授研究組從材料出發(fā)，開發(fā)了不同系統(tǒng)的硅膠基質(zhì)納米復(fù)合彈性體材料作為陶瓷前驅(qū)體。這些彈性體材料的特性使其可以完成從3D打印到變形的過程，并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾山Y(jié)構(gòu)，從而逐步實現(xiàn)打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)（Printed ceramic origami）和4D打印陶瓷（4D printing of ceramics）。
該文章的第一作者是劉果博士，第二作者是趙巖博士，第三作者是吳戈博士，通訊作者是呂堅教授。所有作者均來自呂堅教授研究組。
3D打印陶瓷
在此次研究中，他們先實現(xiàn)了3D打印陶瓷。
展開 Jerry Qi教授《先進(jìn)功能材料》綜述：4D打印技術(shù)研究進(jìn)展
自2013年4D打印概念被首次提出以來， 4D打印技術(shù)吸引了廣泛的關(guān)注。4D 打印技術(shù)最初被定義為“3D 打印技術(shù) + 時間”，即第四個維度為時間。 目前，4D 打印技術(shù)， 廣義地定義為智能材料或結(jié)構(gòu)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(zhì)和功能隨著時間發(fā)生特定的演變。相比于傳統(tǒng)3D打印技術(shù)，4D打印增加了一個時間的維度，而具有以下的優(yōu)勢：1）具有刺激響應(yīng)性能的打印構(gòu)件可用于智能器件；2）打印薄壁與點陣結(jié)構(gòu)可以大幅節(jié)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(shù)利用不同的3D打印方法，實現(xiàn)打印的智能材料與結(jié)構(gòu)在外界刺激下的形狀與功能的演變，用于智能器件、生物醫(yī)用與超材料等。
近日，美國佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程系的H. Jerry Qi 教授在《先進(jìn)功能材料》雜志上發(fā)表特邀綜述，回顧了4D打印技術(shù)的發(fā)展歷史，從材料的角度重點介紹了4D打印技術(shù)中最廣泛研究的3D打印形狀可變高分子材料研究進(jìn)展。4D打印技術(shù)發(fā)展源于智能/功能材料，3D打印技術(shù)和模擬/設(shè)計等交叉學(xué)科的快速發(fā)展。文章概述了已報道的，基于不同刺激響應(yīng)特性、打印方法與變形機(jī)理的單一材料與多材料打印技術(shù)， 用于形狀可變結(jié)構(gòu)的3D打印。4D打印結(jié)構(gòu)中至少有兩個穩(wěn)定狀態(tài)， 打印形狀在外界刺激下響應(yīng)而轉(zhuǎn)變到另外一個狀態(tài)。3D打印材料形狀轉(zhuǎn)變的基本機(jī)理，是直接利用打印智能材料刺激響應(yīng)性，或者利用打印過程或打印結(jié)束以后在智能材料/結(jié)構(gòu)中引入的本征應(yīng)變（或應(yīng)變失衡）在外界刺激下的響應(yīng)。 其中，單一材料4D打印技術(shù)，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(yīng)的可逆形狀轉(zhuǎn)換能力。復(fù)合材料/多材料4D打印技術(shù)，包括3D打印水凝膠復(fù)合材料/多材料、纖維增強活性復(fù)合材料、雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、形狀記憶多材料以及梯度溶脹/脫溶劑的多材料等。
展開 跨越時間維度的交互式4D打印水生植物
與imp－root水生植物相互作用
生物醫(yī)學(xué)中的4D打印
去年，一組研究人員在的工程設(shè)計和計算實驗室的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，4D打印四面體。一旦將熱量施加到扁平四面體上，就會緩慢地將其自身轉(zhuǎn)變成直立結(jié)構(gòu)。
據(jù)了解，醫(yī)療行業(yè)也在探索4D打印技術(shù)的功能和實用性。喬治華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種用于神經(jīng)再生的4D生物打印技術(shù)。在另一項研究論文，從科學(xué)家聯(lián)合小組布里斯托大學(xué)和巴斯大學(xué)開發(fā)的3D印刷油墨浸在水中時膨脹。
（來源：OFWeek 3D打印網(wǎng)）
新加坡研究人員開發(fā)出雙網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)4D打印形狀記憶聚合物
4D打印技術(shù)因其能使3D打印結(jié)構(gòu)隨時間改變形狀，而在各種應(yīng)用中都受到極大關(guān)注。在所有4D打印材料中，形狀記憶聚合物（Shape Memory Polymers-SMPs）因具備更高的剛度，更快的響應(yīng)速率，而被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的4D打印材料之一。然而，大多數(shù)基于SMP的4D打印材料都是通過(甲基)丙烯酸酯類樹脂形成的永久共價交聯(lián)熱固性網(wǎng)絡(luò)，一旦發(fā)生任何損壞則不能修復(fù)。
為了解決這一問題，新加坡科技設(shè)計大學(xué)(Singapore University of Technology and Design-SUTD)葛锜助理教授科研團(tuán)隊最近開發(fā)了一種適用于高精度3D打印技術(shù)的雙網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)形狀記憶聚合物(Self-healing SMP-SH-SMP)體系以實現(xiàn)自修復(fù)4D打印。在SH-SMP溶液中，形成SMP網(wǎng)絡(luò)的光敏甲基丙烯酸酯與高精度數(shù)字光處理 (Digital Light Processing - DLP) 3D打印技術(shù)具有良好的兼容性，從而可以實現(xiàn)高精度(最高可達(dá)30微米) 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的4D打印 (圖1a)； 而滲透在SMP網(wǎng)絡(luò)中的半結(jié)晶線性聚合物 - 聚己內(nèi)酯（Polycaprolactone - PCL）則賦予4D打印結(jié)構(gòu)自修復(fù)能力 (圖1b)。實驗表明，當(dāng)PCL在SH-SMP體系中的含量高于20%時，受損結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能可以恢復(fù)到90％以上。此外，PCL含量也極大的影響了SH-SMP溶液的黏度。為了研究SH-SMP溶液粘度對DLP 3D打印過程的影響，該團(tuán)隊還同新加坡科技研究局(A*Star) 高性能計算研究院（Institute of High Performance Computing - IHPC）合作，通過計算流體動力學(xué)（CFD）模擬求得DLP 3D打印所能接受的最高溶液粘度，用以指導(dǎo)SH-SMP溶液的配制。
圖1.
展開 
科學(xué)家用4D打印發(fā)明新型“超材料”
現(xiàn)在，新型制造和3D打印技術(shù)還可以在納米、微、中、宏觀層次上建造蜂窩結(jié)構(gòu)，通常，這些材料都能表現(xiàn)出獨特的機(jī)械、功能和熱性能組合，成為所謂的“超材料”。
超材料指的是一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，這些材料是自然界沒有的，包括輕量卻堅硬、高機(jī)械彈性、具有負(fù)泊松比，以及具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的多材料布局。在過去，這些材料和建筑往往在生成后很快固定成型，這限制了他們的用處。
出于制造反應(yīng)更靈敏、適應(yīng)性更強材料的需要，“4D打印”成了材料領(lǐng)域一個新的研究熱點。相較于3D，多出來的那個“D”代表時間。4D打印就是讓材料除了在X、Y、Z軸上輾轉(zhuǎn)騰挪之外，還會因為外部條件的變化，隨時間推移而改變形狀或功能。由于機(jī)械力、溫度、膨脹和磁場的作用，4D打印材料可以自我重新配置，從而改變顏色或形狀。
遺憾的是，到目前為止，現(xiàn)有的4D打印技術(shù)要么缺乏對機(jī)械性能的高度精確控制，要么由于傳輸限制或化學(xué)反應(yīng)本身的緩慢，需要很長的反應(yīng)時間。為此，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、阿貢國家實驗室、加州大學(xué)的一群材料科學(xué)家提出了一種新的4D打印方案——磁場反應(yīng)機(jī)械超材料(FRMM)，用來展示可編程、可預(yù)測和高度控制的機(jī)械性能變化，且具有大動態(tài)范圍和快速可逆的響應(yīng)，方便應(yīng)用遠(yuǎn)程磁場。
為了獲得具有動態(tài)可調(diào)剛度的FRMM，研究人員將磁流變流體懸浮液(MR)引入三維打印聚合物管的核心，也就是蜂窩單元和晶格的構(gòu)建模塊。MR是由懸浮在非磁性液體中的鐵磁性微粒組成的，在磁場的作用下，MR的粘度會迅速變化。在沒有磁場的情況下，MR流體則表現(xiàn)為懸浮顆粒隨機(jī)分布的液體，懸浮顆粒會在平面基底上沉積時自由流動形成池。
當(dāng)施加磁場時，懸浮顆粒沿磁場線排列成鏈，形成針狀、葉片狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)MR流體中的有序顆粒受到磁場作用，流體粘度單調(diào)增加，直至飽和。
展開 模擬仿真助力4D打印技術(shù)
4D打印
所謂的4D打印，準(zhǔn)確地說是一種能夠自動變形的材料，只需特定條件（如溫度、濕度等），不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能按照產(chǎn)品設(shè)計自動折疊成相應(yīng)的形狀。4D打印最關(guān)鍵的是“智能材料”。3D打印是預(yù)先建模再打印出成品，而4D打印的邏輯是把產(chǎn)品設(shè)計通過打印機(jī)嵌入可以變形的智能材料中，在特定時間或激活條件下，無需人為干預(yù)，也不用通電，便可按照事先的設(shè)計進(jìn)行自我組裝。
研究人員受大自然的啟發(fā)開發(fā)出形狀變形材料，它們可以復(fù)制天然軟組織的功能。這種材料在軟機(jī)器人、可編程物質(zhì)、仿生工程和仿生制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如2016年在Nature Materials 上面發(fā)表的一篇論文就介紹了仿生4D打印技術(shù)。研究者們發(fā)現(xiàn)，植物某些器官，如卷須、苞葉、葉子和花會響應(yīng)環(huán)境刺激（像濕度、光或接觸）而改變內(nèi)部不同地方細(xì)胞的膨脹，這導(dǎo)致了被各個組織和顯微結(jié)構(gòu)下各向異性的細(xì)胞壁所支配的動力學(xué)過程。受這個啟發(fā)，他們制作了一種可編程的復(fù)合水凝膠結(jié)構(gòu)，它的編碼具有局域性和各向異性的膨脹行為。他們在浸入水中后會產(chǎn)生復(fù)雜的三維形態(tài)。圖1是部分成品的效果 。
圖 1 （圖片源于NATURE MATERIALS DOI: 10.1038/NMAT4544）
另外2018年在Nature Communications上研究人員還發(fā)表了一篇關(guān)于編程人工水凝膠的文章。
展開 Sci.》綜述：高分子材料4D打印 - 技術(shù)、材料與展望
自2013年增材制造技術(shù)首次出現(xiàn)四維(4D)打印概念以來，全世界的研究人員都對其產(chǎn)生了極大的興趣。4D打印通過給靜態(tài)打印結(jié)構(gòu)賦予動態(tài)屬性，并可以隨著時間的推移而改變，從而可以將材料的3D打印加工拓展到復(fù)雜幾何形狀之外。在熱、光、pH、水分、電和磁場等各種刺激下，打印物體的形狀和/或?qū)傩詴l(fā)生變化，這些變化可以實現(xiàn)預(yù)設(shè)計且可以進(jìn)行控制。4D打印可以通過結(jié)合時間維度創(chuàng)建可變和可控的幾何圖形。近年來，隨著智能材料和新型打印方法的快速發(fā)展，大大擴(kuò)大了4D打印的范圍。
近日，康涅狄格大學(xué)孫陸逸教授聯(lián)合鄭州大學(xué)、日本山形大學(xué)、蘭州大學(xué)、康涅狄格大學(xué)的相關(guān)研究人員，在《Progress in Polymer Science》上發(fā)表了關(guān)于高分子材料在4D打印領(lǐng)域的新技術(shù)、新材料及新進(jìn)展的綜述文章，對于高分子智能材料在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，并對技術(shù)發(fā)展趨勢、所面臨的的困難及挑戰(zhàn)進(jìn)行了分類討論，并展望了未來的發(fā)展方向。該綜述為高分子材料在4D打印領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供了依據(jù)與參考。
綜述按照4D打印的主要方法：FDM、DIW、SLA、DLP、SLS對高分子材料的4D打印材料，以及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，歸納了目前最具有代表性的打印方法、材料及應(yīng)用領(lǐng)域，并對2013-2020年在高分子材料在4D打印領(lǐng)域發(fā)表的論文進(jìn)行了歸納統(tǒng)計。
Figure 1. (a) Brief comparison of 3D and 4D printing.
展開 光固化4D打印超高力學(xué)性能形狀記憶高分子材料
近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系副教授葛锜團(tuán)隊和西北工業(yè)大學(xué)副教授張彪團(tuán)隊在Advanced Materials合作發(fā)表論文，報道一種用于光固化4D打印的超高力學(xué)性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態(tài)斷裂應(yīng)變超過1240%，在150%-250%的應(yīng)變區(qū)間可以重復(fù)加載超10000次。此外，其優(yōu)異的光聚合性能使其成為數(shù)字光處理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米，在智能家居、航空航天和軟體機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用潛力非常大。該項研究被Advanced Materials后內(nèi)封面重點報道。
4D打印是一種新興的制造技術(shù)，它能夠使打印出來的三維結(jié)構(gòu)的形狀在外界環(huán)境刺激下隨時間變化。與用于4D打印的其他主動軟材料（Soft Active Materials -SAMs）相比，形狀記憶高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的剛度，并且能與各種3D打印技術(shù)兼容。其中，采用DLP 3D打印技術(shù)打印可光固化SMP，可以制造具有復(fù)雜幾何形狀和高分辨率的4D打印結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有可光固化SMP在力學(xué)性能方面具有局限性（伸長率偏低、抗疲勞性能差等），這極大地限制了它們的應(yīng)用范圍。因此，亟需發(fā)展可承受大變形且具備抗疲勞能力的光固化SMP，以滿足工程應(yīng)用中對4D打印智能材料力學(xué)性能的高要求。
圖 1. 超高力學(xué)性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技術(shù)的4D打印
聯(lián)合研究團(tuán)隊合作開發(fā)出了一種超高力學(xué)性能可光固化SMP體系。該材料體系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）組成，故稱為tBA-AUD SMP體系。
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