4D打印：未来智能材料

admin

　                  我们一直在不断地革新我们使用的材料。我们已经可以使用3D打印机来打印我们需要的数码形状，而现在，我们又创造了可以自行组装的材料。这些可自行组装的4D打印物体正在一步步成为现实。

        什么是4D打印？
        4D打印指的是，3D打印的物体具有另一个维度：时间。3D打印的物体可经过一段时间之后改变其形状。为了实现这样的目标，我们可以在打印过程中使用合适的材料，这种材料的各个部分吸收水的速率不同，从而导致各个部分膨胀程度和收缩程度不一样。如果这些部件的排放合适，这些膨胀和收缩则会使得整个结构进行合适的弯曲和折叠。其他的4D打印机利用热量来塑形，这是由于极端温度可能会改变材料的形状。然而，未来的4D打印物体将会充分利用温度的微小变化或者其他的条件来改变形状，例如光线、压力和湿度。
        为何4D打印如此令人兴奋？
        当其他的自我组装和形状改变技术以电能和机器人技术为基础时，4D打印可使用热量和水来实现，这意味着它们可以运用在一些其他相似技术无法实现的领域。4D打印也意味着其可以进行更加复杂和多组件结构的打印，而这仅需要一台4D打印机和一台电脑就可以实现。

        为什么4D打印并不是随处可见？
        4D打印要想实现广泛的商业应用，必须克服一系列的障碍。目前将材料弯曲成一种新形状的过程涉及到了应变，同时减少了材料的机械强度，从而使得其对损坏更加敏感。这种材料也需要很长的时间来响应外部的刺激，从而产生很小的形状改变速率。这种缓慢的改变意味着4D打印在一些方面可能不适用。4D打印材料在回复到初始形状方面也会遇到很多问题，因为很多情况下这种形状的改变是永久性的，不可逆转的。

        自组装实验室
        MIT和自组装实验室、Stratasys以及Autodesk共同合作进行了4D打印的研究。该项目使用了Stratasys的多材料3D打印技术。这种技术允许多种材料进行3D打印。通过这项技术，自组装实验室生产了可在水中折叠成立方体的2D模板。因为4D打印以不同材料的不同行为为基础，因此对于4D打印设计而言，可同时使用多种材料则是必须的。

        自控温水管
        MIT并不是世界上唯一一个进行4D打印研究的实验室，卧龙岗大学的ACES也在进行相同领域的研究。ACES旨在促进柔软机器人在医药领域的应用。ACE正在研究一种加热情况下自行闭合的阀门。一旦经过打印成型，这种阀门将不再需要进一步的调整。当将这种阀门暴露在热水中的时候，将不再需要进一步激活即可关闭。这种阀门在医药领域将会产生不可估量的作用。
        对打印的进一步提高
        卧龙岗大学的研究人员希望他们的4D打印研究能够克服这些障碍。他们正考虑使用离子共价纠缠凝胶，这种凝胶或许是解决上述问题的利刃。ICE凝胶使用离子和共价键将聚合物链接在一起，以便能将4D的打印的强度最大化。这种凝胶的性质也使得这种结构更加不易失效。

        未来的4D打印
        4D打印被人们寄予厚望，据预测，4D打印市场有望在2019年达到6300万美元，而在2025年之前有望达到5亿美元。围绕4D打印产生了很多的奇思妙想。正处于发展阶段的4D打印所吸收的想法包括可穿戴设备对周围环境的响应等。4D打印衣服也被军方密切关注，有望制备可根据环境伪装的衣物。医药领域也没有放弃这样的绝妙机会，也在紧锣密鼓地研究4D打印在该领域的应用。美国军方已经向三所大学投入100美元的基金，用于研究4D打印在武器、工具等方面的应用。

<p class="MsoNormal"style="text-indent:21.0pt;">        来源：新材料在线 μ炻