4D打印機(jī)

　　4D打印機(jī)就是在3D打印的基礎(chǔ)上增加時(shí)間元素，它首次是在洛杉磯舉行的《科技、娛樂(lè)、設(shè)計(jì)（TED）大會(huì)》由麻省理工學(xué)院自我組裝實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家斯凱拉·蒂比茨對(duì)這款產(chǎn)品進(jìn)行了展示4D打印機(jī)。

　　一、簡(jiǎn)介

　　4D打印機(jī)就是在3D打印的基礎(chǔ)上增加時(shí)間元素，它首次是在洛杉磯舉行的《科技、娛樂(lè)、設(shè)計(jì)（TED）大會(huì)》由麻省理工學(xué)院自我組裝實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家斯凱拉·蒂比茨對(duì)這款產(chǎn)品進(jìn)行了展示4D打印機(jī)。在展示過(guò)程中，一根復(fù)合材料在水中完成了自動(dòng)變形。據(jù)介紹，這根復(fù)合材料由3D打印機(jī)“打印”，所使用的原材料為一根塑料和一層能夠吸水的“智能”材料。蒂比茨稱：“打印過(guò)程并不是新鮮的東西，但關(guān)鍵是打印出來(lái)后發(fā)生的變化。”對(duì)于這一技術(shù)的運(yùn)用，蒂比茨認(rèn)為其能夠自我變形的特性，可以讓物體實(shí)現(xiàn)在地下管道等難以接觸到的地方進(jìn)行自我組裝。此外，這一技術(shù)還有可能應(yīng)用到家具、自行車、汽車、甚至建筑物的制造上。

　　蒂比茨正在尋找制造商與他合作，以期在這些方面進(jìn)行創(chuàng)新。“我們?cè)趯ふ冶仨毷褂玫竭@些材料的產(chǎn)品……設(shè)想一下，如果水管能夠自我延伸，應(yīng)對(duì)不同的需求和流量，這樣就能夠省掉挖掘街道的步驟了。”

　　一些專家們認(rèn)為，這一技術(shù)的問(wèn)世可能預(yù)示著自我組裝家具時(shí)代的來(lái)臨。美國(guó)軟件開(kāi)發(fā)商、參與4D技術(shù)開(kāi)發(fā)的歐特克公司正在對(duì)此進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。該公司首席研究專家卡洛·奧古恩稱：“想象一下這樣的場(chǎng)景，你在宜家買到一把椅子，然后把它放到你的屋子里，關(guān)鍵的是，這把椅子會(huì)自我組裝。”

　　奧古恩說(shuō)，4D打印概念的靈感來(lái)自于生物的自我復(fù)制能力。不過(guò)，該技術(shù)初期只能“打印”自動(dòng)變形的條狀物體，其下一步的研究目標(biāo)是“打印”片狀物體，然后才是結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的物體。

　　二、最新研究

　　在2013年十月三十日，美研究人員開(kāi)發(fā)4D打印技術(shù)加工新型復(fù)合材料。

　　美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員已成功在其打印技術(shù)中加入第四個(gè)維度，為在制造、封裝和生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的自適應(yīng)復(fù)合材料的制造和使用帶來(lái)可能。

　　該研究團(tuán)隊(duì)由科羅拉多大學(xué)博爾德分校機(jī)械工程學(xué)院副教授H.杰里奇領(lǐng)導(dǎo)，他和其合作伙伴——來(lái)自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的馬丁·L·鄧恩一起，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出4D打印方法，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。這些研究人員將“形狀記憶”聚合纖維加入傳統(tǒng)3D打印使用的復(fù)合材料中，從而生產(chǎn)出在某一種形狀上的固定對(duì)象，而這一形狀稍后會(huì)轉(zhuǎn)化為一種新的形狀。

　　前科羅拉多大學(xué)博爾德分校機(jī)械工程學(xué)院成員鄧恩稱，“在此工作中，由3D打印創(chuàng)建最初配置，然后由形狀記憶纖維的編程行動(dòng)創(chuàng)建與配置相關(guān)的時(shí)間——4D方面”。鄧恩對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)和物理學(xué)研究已超過(guò)20余年。

　　4D打印的概念最初由麻省理工學(xué)院斯凱勒·蒂比茨于2013年4月提出，允許材料“自我組裝”成3D結(jié)構(gòu)。蒂比茨和其團(tuán)隊(duì)將“智能”材料產(chǎn)生層與一股塑料進(jìn)行結(jié)合，該“智能”材料能在水中實(shí)現(xiàn)“自我組裝”。

　　鄧恩表示，“我們通過(guò)創(chuàng)建復(fù)合材料推進(jìn)了這一概念發(fā)展，這些復(fù)合材料可基于一種不同物理機(jī)制變形為許多不同的復(fù)雜形狀。使用形狀記憶聚合物纖維生成復(fù)合材料所需的形狀變化的秘密在于，如何設(shè)計(jì)纖維的架構(gòu)，包括其位置、方向和其他因素。”

　　科羅拉多大學(xué)博爾德分校團(tuán)隊(duì)的這些成果刊登在上月的《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志上。

　　杰里奇表示，“最吸引人的事情就是這些形狀在設(shè)計(jì)階段就被定義了，而這些在前幾年是不可能是實(shí)現(xiàn)的。”

　　該團(tuán)隊(duì)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)纖維的方向和位置如何確定形狀記憶的影響程度進(jìn)行了演示，如折疊、卷曲、拉伸或扭曲。這些研究人員也演示了，通過(guò)對(duì)這些復(fù)合材料進(jìn)行加熱或冷卻來(lái)控制這些影響的能力。

　　杰里奇稱，3D打印技術(shù)已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程。這項(xiàng)技術(shù)21世紀(jì)才發(fā)展到此階段，即當(dāng)目標(biāo)受到熱和機(jī)械推力時(shí)，活性纖維可納入復(fù)合材料中，以便對(duì)其行為進(jìn)行預(yù)知控制。

　　這項(xiàng)技術(shù)可為各種應(yīng)用帶來(lái)令人興奮的可能性。杰里奇表示，太陽(yáng)能電池或類似產(chǎn)品可在功能性設(shè)備可很容易地安裝的平面配置中生產(chǎn)。隨后，它將被轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)緊湊形狀用于封裝和運(yùn)輸。在達(dá)到目的地后，該產(chǎn)品將會(huì)被激活以形成一種功能可優(yōu)化的不同形狀。