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4D打印更“智能” 增加的不只是一個“D”

  近日,智能西安交通大學研究團隊開發出了一種新的印更4D打印材料。這種材料具有優異的增加自修復性、重塑性,智能可應用于機器人、印更智能警報器、增加生物植入體等產品的智能設計與制造。

4D打印更“智能” 增加的不只是一個“D”

  4D打印實現的印更構件展現出聰慧的自適應、自組裝、增加甚至是智能自修復能力,展現出在生物醫學、印更生產制造、增加航空航天等領域的智能巨大潛力,受到了越來越多人的印更關注。

  3D打印方興未艾,增加4D打印已撲面而來。

  4D打印,增加的不只是一個“D”

  北京環球影城的“形象大使”威震天,雖然只是科幻電影中的虛擬形象,但這一可根據需要變形的機器人,喚起一代人的童年記憶,一經推出即圈粉無數。相信很多孩子都有過這樣的想象——拐杖可在下雨的時候自動變成雨傘,沙發能根據承載人的高矮胖瘦自動調整形狀,衣服可隨環境條件變化自動改變顏色……4D打印的出現,可能會將這樣的幻想變為現實。

  2013年TED(Technology、Entertainment、Design)大會上,來自麻省理工學院的研究員斯凱拉·蒂比斯演示了一個神奇的實驗。他將3D打印制造出的多串繩狀PVC復合材料放入水中后,這種材料自動改變自身形狀,組成了麻省理工學院的縮寫字母“MIT”。以實驗的方式,研究人員將4D打印最直觀地展現在了人們面前。

  在4D打印發展初期,人們普遍認為4D打印是在3D打印的基礎上增加了一個時間維度。即打印出的物體可以隨著時間推移在形態結構上自我進行調整,最終自動達到預先設計要求。

  然而,4D打印比3D打印不只是增加了一個“D”(dimension,維度)。

  隨著研究的持續推進,科學家認為,4D打印的概念至少應該包括兩個方面:一是它在3D打印基礎上增加了新的時間維度,同時空間維度也得到進一步拓展,增強了打印構件隨時空變化的能力;二是在外界特定環境條件的刺激下,4D打印不僅能夠制造形狀發生可控變化的構件,也能夠制造性能、功能發生可控變化的構件。

  4D打印之所以能夠實現這種神奇的效果,關鍵在于它以智能材料作為主要原料。4D打印生成的產品在特定環境(比如水、熱、電、光、磁等)和交互機制作用下,能夠形成具有智能動態結構特征的產品——這與以普通材料作為原料、輸出靜態結構產品的3D打印有著很大的不同。因此,4D打印也被認為是智能材料的3D打印。

  4D打印生成的產品變化并非是隨機的,而是在研究人員預先的“編程”控制下。通過“編程”將設計融入智能材料,實現設計與制造的一體化,從而簡化了從設計理念到實物的創造過程。4D打印將“程序化”的造物方式變成了現實,因此有人說,3D打印的產品是“死”的,而4D打印的產品是“活”的。

  風勁揚帆正當時

  隨著人類社會闊步向智能化時代邁進,4D打印技術恰逢其時,它與智能材料相互促進、共同發展,已經在眾多領域顯示出良好的應用發展前景。

  在生物醫學領域,4D打印技術已在智能植入支架、藥物遞送裝置以及器官替代物等方面取得重要進展。

  2021年底,中國科學院蘭州化學物理研究所研究團隊設計開發出了一種新型水凝膠材料,成功實現4D打印血管支架,有望解決血管支架在體內植入后難以再變形的問題;中國科學院沈陽自動化所研究團隊利用4D打印技術制造出了一款納米級軟體機器人,可以派它進入人體,進行藥物搬運和控釋;青島大學研究團隊研發出了一種4D打印干細胞載體,用這種“創口貼”把干細胞“貼上去”,就可以實現創面皮膚的快速再生修復……

  在生產制造領域,4D打印技術呈現出另一個發展方向——打印出體積較小的物品,然后自行組裝為最終產品。

  卡內基梅隆大學研究團隊開發出了一款特殊的4D打印代碼。這種代碼可以使得成品在加熱后按照預先設定好的規律折疊。打印出的成品看上去只是一片普通的塑料板,但是加熱后,它就會變成花朵、椅子等不同形狀。這項技術為制造業提供了一種可能,利用4D打印技術制造軟件進行原形設計,打印后產品可根據實際需要,在特定時間或特定環境下自動組裝成最初設定的形狀,從而大幅降低產品的制造以及存儲、運輸成本。

  在航空航天領域,4D打印技術的應用可降低部件結構的復雜度、減少成本、提高航空航天器的性能。

  比如4D打印的折疊式衛星天線,在發射前先將其加熱至特定溫度以上,揉成團狀放入發射裝置中,再冷卻固定形狀;進入運行軌道后,利用太陽能加熱天線,天線能夠重新恢復到原始形狀并正常工作。這種衛星天線可實現復雜的空間結構,同時也能實現合理利用衛星空間、顯著降低發射成本。

  此外,4D打印的智能材料還可以更好地適應外太空惡劣環境,我國“祝融號”火星車在火星展示的中國國旗,就是由哈爾濱工業大學自主研制的形狀記憶聚合物材料制成。它可在火星低溫、高輻射的惡劣環境中自主展開并保持狀態穩定。

  軍事應用尤可期

  4D打印技術在軍事領域的應用尤為值得關注。2022年8月,聯合市場研究公司(Allied Market Research)報告顯示,預計到2040年全球軍用4D打印產業產值將達6.734億美元。美國市場觀察網站報道也指出,軍用3D和4D打印市場預計在2022~2031年期間的復合年增長率將超過10%。由此可以看出,4D打印技術對國防戰略的重要性。

  自適應偽裝作戰服是軍事領域探索應用增材制造技術較早的項目之一。它可以實現像變色龍一樣、隨環境變化自動調節自身顏色以增強偽裝效果。隨著4D打印技術的出現和智能材料的發展,這種作戰服的偽裝功能正在得到進一步提升,或可在隱蔽作戰方面對未來戰場產生革命性影響。

  利用4D打印技術設計制造的武器裝備構件,能夠在瞬息萬變的戰場條件下實現結構和功能的相應變化,從而提升環境適應性、優化性能、降低成本。美國國家航空航天局基于4D打印技術提出一種未來智能變體飛機的設計構想——該飛機的外形可隨外界環境進行自適應變化,比如改變展長、優化升阻比以增大航程和航時,改變機翼彎度以增強飛機的機動性等,從而獲得更好的作戰性能。加拿大的研究人員也在利用4D打印技術為無人機開發一種新型的自適應柔性機翼,這將使無人機的機翼飛行效率更高、制造成本更低。

  4D打印的自組裝能力同樣在軍事領域有著廣泛的適用性。野營帳篷、單兵救生艇、戰場救護支架等裝備在打印后,可呈壓縮或者折疊狀態以便于存放,使用時再自動展開成預先設計的形狀。這樣大大簡化了組裝的步驟和過程,減少了裝配零件的成本,也更便于攜帶和運輸。

  作為一種正處于快速上升趨勢的新型增材制造技術,4D打印實現了新材料、新工藝、新機理的組合創新運用,推動了“材料-結構-功能”的一體化動態設計制造,促進了制造方式向智能化轉型發展。盡管它還面臨智能材料種類與性能、打印工藝與裝備、智能構件的評測與檢驗等諸多方面的挑戰,但4D打印的美好未來依然可期。

  鄭昌興 趙 輝 嚴 明

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