2021年6月11日，國家航天局舉行天問一號探測器著陸火星首批科學(xué)影像圖揭幕儀式，公布了由“祝融號”火星車拍攝的著陸點(diǎn)全景、火星地形地貌、“中國印跡”和“著巡合影”等影像圖。在“中國印跡”和“著巡合影”兩張影像圖中，鮮紅方正的中國國旗清晰可見。這面國旗由哈工大冷勁松院士團(tuán)隊(duì)研制的形狀記憶聚合物材料制成，可在火星低溫、高輻射的惡劣環(huán)境下自主展開并保持狀態(tài)穩(wěn)定。

圖源：國家航天局

形狀記憶聚合物材料是現(xiàn)代智能材料的一種，智能材料在我們?nèi)粘Ｉ钫谧兊迷絹碓狡占埃瑥淖兩栫R的變光鏡片到尿不濕的吸水樹脂，這種可以感知環(huán)境信息而發(fā)生相應(yīng)變化的新材料因應(yīng)用前景廣泛而成為科研界的“寵兒”。

最近，英國皇家學(xué)會(huì)（Royal Society）對外宣布，其團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)多種智能材料產(chǎn)品，包括可以隨濕度變化而改變孔隙率的玻璃窗、可適應(yīng)環(huán)境條件的服裝以及自愈混凝土等。他們認(rèn)為，智能材料最終將深刻影響生活各個(gè)領(lǐng)域，引發(fā)行業(yè)變革。

可自動(dòng)折疊的玫瑰 

圖源： Amir Zadpoor /TU Delft

提到智能材料，不能不提3D打印

智能材料在充分發(fā)揮其潛力之前首先要被制造成產(chǎn)品。在過去十年，很多研究人員一直在探索3D打印技術(shù)。這是快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。小到珠寶、鞋類，大到汽車、航空航天設(shè)備零部件，甚至槍支制造都可以通過3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

“用3D打印技術(shù)生產(chǎn)智能材料被稱為‘4D打印’。”這是美國麻省理工學(xué)院建筑師、計(jì)算機(jī)科學(xué)家Skylar Tibbits在2013年的TED演講中創(chuàng)造的一個(gè)術(shù)語。他說，這里新增加的第四維度（dimension）指的是“時(shí)間”。

他認(rèn)為，3D打印的東西會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變。如果將能夠感知刺激并做出反應(yīng)的能力預(yù)先編程到單個(gè)材料的設(shè)計(jì)中，那么將可以用來制造更為復(fù)雜、自主的系統(tǒng)。

“將3D打印機(jī)用于智能材料仍然具有這項(xiàng)技術(shù)打印靜態(tài)物的原有優(yōu)勢，包括能夠制作個(gè)性化、量身定制的材料，也包括制造超前創(chuàng)新的材料。”美國佐治亞理工學(xué)院的機(jī)械工程師Jerry Qi解釋說，用商業(yè)制造方法制造智能材料幾乎是不可能的，或者至少會(huì)非常麻煩。但是3D打印不一樣，它的便利性加速了材料創(chuàng)新的速度。

“以前，要搞清如何制造一種全新的智能材料可能需要花上半年時(shí)間。而現(xiàn)在，研究人員使用3D打印技術(shù)可以只用幾個(gè)小時(shí)就能完成。”他說。

目前，雖然研究人員已經(jīng)通過4D打印開發(fā)出了了大量原型，但是因?yàn)槠渲圃斓闹悄懿牧仙形茨芡度雽?shí)際商業(yè)使用。因此，4D打印仍處于發(fā)展的初級階段。

Tibbits的早期設(shè)計(jì)之一是一雙4D印花鞋。他的團(tuán)隊(duì)在拉伸的織物上打印了一個(gè)預(yù)先編程的聚合物油墨圖案。當(dāng)織物從拉伸狀態(tài)恢復(fù)原狀的時(shí)候，2D形狀立即跳轉(zhuǎn)為預(yù)期的3D形狀。他還用同樣的技巧制作過一張4D打印餐桌。該原型設(shè)計(jì)為平面包裝，由聚合物和鋸末組成的油墨被印在桌子表面。一旦打開包裝，就會(huì)立即跳出3D形狀。

SkylarTibbits：4D打印

來源：騰訊視頻

4D打印還可以讓我們大規(guī)模、超快速地打印高質(zhì)量的產(chǎn)品。

Tibbits團(tuán)隊(duì)還曾與汽車制造商寶馬（BMW）合作，開發(fā)了一種4D打印的彈性充氣硅膠原型材料，具有可調(diào)剛度。這種智能材料可根據(jù)吸入的空氣量改變形狀，讓汽車座椅變得更軟或更硬，或提供更大的腰部支撐。

為了制造這種氣動(dòng)材料，Tibbits團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的3D打印技術(shù)——快速液體打印。與大多數(shù)3D打印方法不同，快速液體打印不是逐層生成對象，而是將物體打印到一個(gè)裝有凝膠的容器中，使其懸浮，不受重力影響。而油墨中含有聚合物，一旦暴露在紫外線下，就會(huì)快速固化。Tibbits說，快速液體打印克服了3D打印存在的尺寸限制和速度慢的缺點(diǎn)，讓大規(guī)模、超快速打印高質(zhì)量的產(chǎn)品成為可能。該小組目前正在探索將這種打印方法用于更多智能材料。

與專注于用4D打印制造生活產(chǎn)品的Tibbits不同，還有許多研究人員正專注于將其應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

當(dāng)前，使用3D打印個(gè)性化醫(yī)療器具已經(jīng)成為主流，比如助聽器、假肢、手術(shù)植入用骨骼等。然而這些仍是靜態(tài)物，進(jìn)入人體后不能發(fā)生改變。然而，對于需要發(fā)生形狀改變的器具，比如心臟支架等來說，4D打印則可以“大顯身手”。

自20世紀(jì)90年代以來，可展開支架一直被用于治療心臟病發(fā)作和心絞痛。這些由可膨脹金屬網(wǎng)制成的圓柱體被引導(dǎo)穿過患者的血管。一旦到達(dá)正確的位置，狹窄金屬絲末端的球囊就會(huì)充氣，使網(wǎng)格膨脹以支撐血管壁讓血流通過。

荷蘭代爾夫特科技大學(xué)（Delft University of Technology）的生物工程師Amir Zadpoor和他的團(tuán)隊(duì)正在探索通過4D打印技術(shù)來制造新一代可調(diào)度支架。這種支架在體溫下可以自我膨脹，因此無需球囊充氣系統(tǒng)。它可以是標(biāo)準(zhǔn)尺寸，也可以針對復(fù)雜情況，比如兩條血管分叉的連接處這種情況進(jìn)行個(gè)性化定制。為了制造出圓柱體支架，該團(tuán)隊(duì)改造了打印機(jī)，增加了一個(gè)類似于滾動(dòng)銷的附加組件，讓打印過程可以旋轉(zhuǎn)，從而打印出旋轉(zhuǎn)曲面。Zadpoor說，圓柱體體現(xiàn)在在直徑上的膨脹而不是長度上的。

來源：Amir Zadpoor's lab

未來，該團(tuán)隊(duì)還希望使用4D打印技術(shù)生產(chǎn)新一代折紙狀組織支架。這些結(jié)構(gòu)支架可植入患者體內(nèi)，以促進(jìn)骨、肌肉、神經(jīng)和其他組織的原位再生。因?yàn)椋?D打印可以使金屬晶格孔內(nèi)的表面功能化。非常小的納米幾何圖案裝飾表面將引導(dǎo)細(xì)胞成為骨形成細(xì)胞，并起到減少細(xì)菌生長的作用。Zadpoor補(bǔ)充道，與血管支架不同的是，結(jié)構(gòu)支架設(shè)計(jì)用于在制造過程中改變形狀，而不是在體內(nèi)。

在美國喬治華盛頓大學(xué)（the George Washington University），生物工程師Grace Zhang和她的團(tuán)隊(duì)也在使用4D打印技術(shù)來制造能夠支持身體組織再生的工具——4D打印心臟貼片，來修復(fù)心臟病發(fā)作引起的心肌損傷。

心跳節(jié)律是由心肌細(xì)胞控制。長期以來，人們一直認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的心肌細(xì)胞可以修復(fù)受損的心臟。但問題是，心臟跳動(dòng)時(shí)，培養(yǎng)細(xì)胞很難長期自主固定在其應(yīng)該待在的位置上。該團(tuán)隊(duì)對4D心臟貼片進(jìn)行預(yù)先編程，將其設(shè)計(jì)成在拉伸時(shí)可逆地改變結(jié)構(gòu)，使其能夠隨著心臟一起膨脹和收縮，將心肌細(xì)胞安全地“貼”在心臟表面，而不需要任何膠水。

4D打印心臟貼片可以“自我卷曲”，更好地附著在器官表面 

圖源：Science/AAAS

目前，并非所有從事4D打印的研究團(tuán)隊(duì)都在考慮“應(yīng)用”環(huán)節(jié)。許多團(tuán)隊(duì)正在努力進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。佐治亞理工學(xué)院Jerry Qi團(tuán)隊(duì)正致力于開發(fā)4D印刷材料與多層復(fù)合形狀記憶聚合物。

他們使用了兩種極性不匹配的聚合物，并嚴(yán)格控制其在每一層中的空間分布。這意味著，當(dāng)材料浸泡在水或丙酮中時(shí)，一種聚合物比另一種聚合物膨脹更大。材料能以非常精確的方式彎曲。他們用于這項(xiàng)工作的打印機(jī)是定制的數(shù)字光處理（DLP）式3D打印機(jī)，其速度要比FDM打印機(jī)快得多。他最近還開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，消除了材料圖案設(shè)計(jì)中反復(fù)試驗(yàn)的需要，可以快速準(zhǔn)確地根據(jù)所需最終產(chǎn)品形狀的手繪生成復(fù)合材料圖案。

浙江大學(xué)的聚合物化學(xué)家Tao Xie和他的團(tuán)隊(duì)也在使用定制的DLP 3D打印機(jī)來制造含有多種聚合物的智能材料。這是一個(gè)模塊化過程，每個(gè)模塊中有不同的聚合物。制作過程可以在不到一分鐘內(nèi)完成。

4D打印技術(shù)自其概念提出以來已迅速發(fā)展，允許對各種形狀變化材料進(jìn)行快速原型制作，但在其使用成為主流并能夠在商業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)智能材料之前，仍有一些障礙需要克服。

Tibbits說，首先是標(biāo)準(zhǔn)化問題。目前在4D打印領(lǐng)域，每個(gè)人的做法都不一樣，不同的材料、機(jī)器和軟件，不同的測試系統(tǒng)方式……需要有統(tǒng)一的共享標(biāo)準(zhǔn)。

此外，他認(rèn)為，4D打印面臨的最大挑戰(zhàn)可能是“心態(tài)”：如何將活動(dòng)材料整合到一個(gè)習(xí)慣于靜態(tài)材料的世界中。“通常情況下，工程是要試圖制造出不改變形狀的結(jié)構(gòu)，大多數(shù)材料都試圖保持超穩(wěn)定且不移動(dòng)。然而4D打印完全相反，目標(biāo)是使用盡可能活躍的材料。對此，我們還沒有做好準(zhǔn)備。”

參考文獻(xiàn)：

1.https://www.chemistryworld.com/features/3d-printing-adds-another-dimension/4015622.article

2.http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6812123/content.html

3.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1702338824137092759&wfr=spider&for=pc