3D打印增加了另一个维度

智能材料已经成为我们日常生活的一部分。从装热饮时变色的热变色颜料的新奇杯子，到太阳出来时变暗的光变色处方眼镜镜片，再到一次性尿布和经期产品中膨胀吸收液体的水凝胶。但就智能材料而言，这些只是冰山一角。智能材料可以感知周围环境的信息，然后据此采取行动。

根据最近的一项研究英国皇家学会报告在美国，即将问世的智能材料包括能根据湿度变化孔隙率的窗户玻璃、能适应环境条件的服装以及自修复混凝土。该报告的作者写道:“有生命的材料最终可能会对生活的各个领域产生变革性的影响。”

我们正在3D打印东西，然后随着时间的推移而改变

关键在于，这些都不是由复杂的电子设备和机器人组成的自主系统。相反，感知刺激并做出适当反应的能力被预先编程到单一材料的设计中。

打印未来

智能材料在充分发挥其潜力之前需要跨越许多障碍，包括如何最好地制造它们。在过去十年左右的时间里，越来越多的研究人员一直在探索3D打印机在这方面的潜力。

使用3D打印机生产智能材料被称为4D打印，这个术语是由美国麻省理工学院的建筑师兼计算机科学家斯凯勒·蒂比茨在一次科学研究中提出的TED演讲在2013年。“第四个维度是时间，”他说manbetx手机客户端3.0．“我们3D打印的东西会随着时间而改变——会重新配置，会进化，会适应，会有代理。”

使用3D打印机制作智能材料具有许多与制作静态物体相同的优点，包括制作个性化、定制材料的能力。另一个问题是允许使用其他方法无法生产的材料。美国佐治亚理工学院的机械工程师Jerry Qi解释说:“用商业制造方法制造(我们的智能材料)几乎是不可能的，或者至少会非常乏味。”

这种制造的便捷性也加速了创新。他说，以前，一旦你设计出了一种(智能)材料，你就必须弄清楚如何制造它，这可能需要半年时间才能实现。现在，研究人员可以在几小时内得到一个新的原型，而不是在设计它的几个月。

印刷生活用品

4D打印仍处于早期阶段，尽管已经开发出大量原型，但这种方式制造的智能材料还没有投入商业使用。提比特的早期设计之一是4D打印鞋．他的团队将预先编程好的聚合物墨水图案印在一块拉伸的纺织织物上。当织物从拉伸中释放出来后，2D形状立即跃升为预期的3D形状。蒂比茨解释说:“这是一种玩偶盒效应。”他还用同样的技巧制作了4D打印餐桌原型设计为平面包装，一旦打开包装，就会立即弹起成3D形状。对于这张桌子，一种由聚合物和锯末组成的墨水被打印到织物上。

我们可以大规模、超快地打印高质量的产品

Tibbits团队还与汽车制造商合作，创造了4D打印的弹性可充气硅胶原型材料，具有可调的刚度宝马．这种智能材料会随着吸入的空气量而改变形状。蒂比茨说:“在宝马，我们着眼于汽车内饰的未来，(并研究)材料如何根据压差在汽车中变形和转化。”他补充说，其潜在用途是在汽车座椅上，使它们变得更软或更硬，或提供更大的腰部支撑，而不需要复杂的机械机构。

为了制造气动材料，Tibbits的团队开发了一种新型的3D打印技术快速液体打印．与大多数3D打印方法不同，快速液体打印不会逐层构建物体。相反，这种液态3D物体被打印到一个含有凝胶的容器中，凝胶将物体悬挂起来，这样它就不受重力的影响。这种墨水含有聚合物，一旦结合或暴露在紫外线下就会迅速凝固。Tibbits说，快速液体打印克服了3D打印的一些固有缺点，即尺寸限制和速度慢。“我们可以以超快的速度大规模打印高质量的产品。“该小组目前正在探索将这种打印方法应用于各种智能材料。

新一代支架

与蒂比茨专注于用4D打印方法制造生活方式产品不同，许多其他支持这项技术的研究人员专注于潜在的生物医学应用。

使用3D打印机来制作个性化的静态对象已经在医疗保健领域建立起来。例如，适合耳朵的个性化数字助听器或用于耳后辅助的软耳模;器官和其他身体部位的3D模型，用于进行复杂的手术;完全符合人体解剖结构的假肢组件;还有低成本、量身定制的植入物，比如下巴、臀部和头骨。

一旦进入人体就可以改变形状的装置也已经在使用中，但它们是使用传统的制造方法制造的。例如，自20世纪90年代以来，可展开支架就被用于治疗心脏病发作和心绞痛。这些圆柱形的可膨胀金属网被引导穿过病人的血管，同时在一根窄电线末端的气球周围塌陷。一旦在正确的位置，气球充气，使网格膨胀以适应血管壁。

荷兰代尔夫特理工大学的生物工程师阿米尔·扎德普尔和他的团队正在寻找4D打印制造下一代可展开支架．他们的目标是制造一种能在体温下自我膨胀的智能聚合物支架，从而消除对气球充气系统的需求。Zadpoor的支架可以是标准化的尺寸，也可以为复杂的情况定制，包括在两根血管分叉的连接处。

为了制造4D圆柱体，该团队制作了一个附加组件，连接到商用保险丝沉积建模(FDM)打印机上。该附加组件类似于擀面杖，并在打印过程中旋转。当一个物体被打印在一个旋转的曲面上而不是静态的平面上时，它的层取向不同，影响其变形行为。Zadpoor解释说，圆筒现在是在直径而不是长度上膨胀。

类似折纸的组织支架

Zadpoor集团是也希望利用4D打印来生产下一代组织工程支架。这些结构支架被植入患者体内，以促进骨、肌肉、神经和其他原位组织的再生。3D打印已经证明了自己是一种非常有效的工具，可以为此目的生产个性化的、高度多孔的金属晶格。

一旦你触发材料，它就会变成所需的3D形状

Zadpoor说，4D打印提供了额外的好处，允许金属晶格孔内部的表面功能化，这是传统制造方法无法实现的。他解释说:“我们可以用非常小的几何特征来装饰这些表面，我们称之为纳米图案。”澳门万博公司这种纳米图案可以引导细胞变成骨形成细胞，还可以减少细菌的生长。扎德普尔补充说:“这些小尖刺可以像一把刀一样刺进细菌，以机械的方式杀死它们，它们还可以调节免疫细胞的行为来杀死细菌。”

FDM打印机用于打印二维分层结构，拉伸时自动折叠成3D对象。扎德普尔说:“这种材料(设计)融入了灵巧性，一旦你用刺激触发它，它就会变成所需的3D形状。”与支架不同的是，这些支架的设计是在制造过程中改变形状，而不是在体内。

修补一颗破碎的心

在美国华盛顿特区的乔治华盛顿大学，生物工程师Grace Zhang和她的团队也在使用4D打印技术制造能够支持体内组织再生的工具。4 d印刷心脏补丁这些药物可以修复心脏病发作引起的心肌损伤。心跳的节奏是由心肌细胞控制的，长期以来，人们一直认为受损的心脏可以用实验室培养的心肌细胞修复，但有效地整合它们已被证明是一个重大挑战。“当心脏跳动时，很难将细胞长期保持在理想的位置，”张说。

她的团队的4D心脏补丁是预先编程的，可以将心肌细胞安全地固定在心脏表面。它们由明胶墨水组成，使用定制的立体平版3d打印机打印。明胶是胶原蛋白的水解形式，胶原蛋白是人体内含量很高的蛋白质，是细胞的支架。通过adjusting the degree of cross-linking in the different sections of its design, the patches are designed to reversibly change structure upon stretching so that they can expand and contract along with the heart. ‘We design the patches so that they can perfectly attach without any glue over,’ Zhang explains.

第一代心脏贴片已经在诱发心脏损伤的小鼠身上进行了测试。张教授的研究小组将装载着实验室培养的心肌细胞的4D打印贴片放置在小鼠体内，并观察到四个月后它们仍然在原位，并支持心肌的形成。

第二代4D打印心脏贴片也正在开发中，从而能够self-curl，当被近红外光触发时，也被预先编程成交叉连锁模式。张教授解释说，这种卷曲机制将进一步提高贴片抓住心脏表面的能力。

4D打印外科医生

与此同时，美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的机械工程师赵宣和(Xuanhe Zhao)和他的团队正寻求将4D打印应用于中风治疗。研究人员的目标是改进取栓术。取栓术是一种常见的中风治疗方法，将一根携带药物的细线插入腿部血管，然后在实时x射线成像的帮助下，人工引导它穿过身体，直到到达堵塞处。

赵教授说，4D打印线可以使这种引导过程更容易。他的小组的电线导线被设计成改变形状，从而改变方向，以响应磁场。身体外面的磁铁可以用来引导导线穿过血管。赵说，这个过程甚至可以用操纵杆远程控制，减少外科医生的辐射暴露。他补充说:“我们正朝着临床应用和FDA批准这款中风机器人的方向前进。”

为了制造这些电线，赵设计了一个电磁附加组件，它位于市面上可用的FDM 3D打印机的喷嘴旁边。这种墨水是一种软聚合物，含有均匀分散的铁磁微粒，暴露在磁场中后能永久保留磁性。在印刷过程中，电磁铁磁化并排列油墨中的铁磁微粒。

赵氏集团此前曾使用过相同的插件创造出各种2D图案，在手持磁铁的控制下折叠成复杂的3D形状。“通过4D打印，你可以将这些磁性软件机器人编程成非常复杂的结构，以实现许多功能，”赵解释道。

基本的进步

目前并不是每个研究4D打印的人都有应用的想法;许多人正在努力实现根本性的进步，然后其他人可以将其用于应用。在Qi和他的佐治亚理工学院团队的努力中，有多层的4D打印材料复合形状记忆聚合物。研究人员使用两种极性不匹配的聚合物，并严格控制它们在每一层中的空间分布。这意味着当材料浸泡在水或丙酮中时，一种聚合物比另一种聚合物膨胀得更厉害，材料会以非常精确的方式弯曲。

制作过程可以在不到一分钟的时间内完成

他们用于这项工作的打印机是一个定制的数字光处理(DLP)风格的3D打印机。Qi解释说，在DLP打印机中，树脂是使用快速光引发聚合来固化的，这使得它们比FDM打印机快得多。他最近还开发了一种机器学习模型这样就不需要在材料的图案设计中反复试验。Qi可以根据所需最终产品形状的手绘图片快速准确地生成复合材料图案。

中国杭州浙江大学的聚合物化学家谢涛和他的团队也是如此使用定制的DLP 3D打印机制造含有多种聚合物的智能材料。这是一个模块化的过程，每个模块中都有不同的聚合物。3D模块被打印成有图案的2D电影。他说，制造过程不到一分钟就能完成。该模式被预先编程为服务于两个不同的目的。首先，当2D胶片变干时，它会将其转化为3D物体。其次，它允许3D对象在暴露于环境触发时改变形状。

为了制造更复杂的变形材料，3D模块被堆叠在一起，并被加热到永久融合在一起。谢说:“这就像乐高积木。”他补充说，这种4D打印的模块化方法极大地扩大了变形材料的结构复杂性。该团队迄今为止创造的智能模块化材料包括一个三层圆柱体，加热时可以控制变形。

4D打印技术自其概念以来迅速发展，可以快速成型各种各样的变形材料，但在其成为主流并能够在商业规模上生产智能材料之前，仍有障碍需要克服。

Tibbits认为，标准化就是这样一个问题。“如果我们看看4D打印领域，每个人的做法都不一样;他们都有不同的材料、机器和软件，他们都在用不同的方式测试他们的系统。他解释说，为了确保安全性和可靠性，社区需要提出一套测试和分析这些智能材料的共享标准。

然而，4D打印材料面临的最大挑战可能是思维方式:如何将活动整合到一个习惯了材料是静态的世界中。蒂比茨说:“通常情况下，工程就是试图制造不改变形状的结构和桥梁——大多数材料都试图保持超级稳定，不移动。”“这是完全相反的方向，目的是使用尽可能活跃的材料，而我们真的不习惯这样。”

妮娜·诺特曼，英国索尔兹伯里科普作家