4D打印:打印时间

两年前的TED大会上，计算机科学家斯凯拉・迪比茨曾展示了一个古怪的视频：一根奇特材质的小棍，扔到水里后，慢慢扭曲变形成麻省理工学院的缩写字母“MIT”。

这是迪比茨所在麻省理工学院项目团队做的一项实验，小棍的变形过程看起来就像手法粗糙的魔术，但在迪比茨看来，实验背后，是一项能改变世界的技术――4D打印。

这个名称和如今火热的“3D打印”一字之差。事实上，两者在“基因”上的确一脉相承，不过4D打印的创新之处，不在于更智能或更人性化，而是能“打印时间”。

听起来有些不可思议，就像是一个未来的科幻概念，但20多年前，3D打印也同样被认为是一个科幻概念，而如今，它已经被大范围地应用于生产生活当中。

两年之后，这个演示已经越来越接近现实。悬念在于，3D打印完成这个过程用了20年，4D打印能否打破这个记录？

烧瓶中的高科技

2D、3D、4D，看起来像个等差数列，实际上是每一级增加了一个D，即打印出来的物体增加了一个维度（dimension）。

大多数人都接触过2D打印，即在平面上打印，比如在纸上打印文档或简历，新兴的3D打印则是加上了一个立体的维度，可以打印立体的物体，而4D打印增加的维度，就是时间。

这个概念不太容易理解，迪比茨是这样解释它的：4D打印的逻辑，是把产品设计通过3D打印机嵌入可以变形的智能材料中，在特定时间或激活条件下，无须人为干预，便可按照事先的设计进行自我组装。

通俗一点的说法是，4D打印能够打印出随时间变化而改变的物体，这里所说的改变，即自我组装。

在微观世界，这种自我组装的技术并不罕见，比如我们人类自己，也可以算是蛋白质分子按照基因密码的预先设定，组合形成各种细胞和组织，最后的“4D打印”完成品。

而迪比茨设想把它搬到宏观世界来。

最开始，迪比茨用3D打印机设计了一组由嵌入式磁铁制成的零散部件，将部件扔进烧瓶里，用力摇晃，瓶中的部件就像有了生命一样，自动组装成了一个病毒的3D模型。

迪比茨认为，这个实验证明了4D打印技术的可行性。不过问题在于，手工摇晃烧瓶让部件组装成型，不仅属于人为干预，而且，实在是太累了。

几个月后，迪比茨见到了3D打印巨头Strasys公司负责人，他们刚刚发明了一种可以在水里变形的高分子聚合材料。这给迪比茨的实验脱离人工干预带来了突破。

借助软件设计，迪比茨将这种可延展的材料和其他一些材料混合，打印出了一根细细的小棍，正如最开始的那个实验，将这根小棍放入热水中后，小棍按照事先设计好的组装方案，变成了“MIT”。

应用畅想

2015年1月，在美国CES消费电子展上，迪比茨团队的4D打印再一次成为展会焦点。当然，与两年前不同的是，迪比茨的研究不再停留于一根小棍，而是一条连衣裙。

迪比茨团队利用模型设计软件设定的时间和组合样式，让2279块3D打印机打印出来的三角模块，在水中慢慢自合变形成了一件镂空的连衣裙。

作为一名建筑设计师，迪比茨的梦想自然也不会止于时装界在他的畅想中，4D打印技术应该被应用到更广泛的领域中。

比如在建筑领域，建造建筑物不再需要建筑工人一砖一瓦堆砌，只要有可行的材料，就能利用4D打印技术让建筑材料按照预先设计好的方案自我组装成一栋建筑物。

在地下排水系统中，4D打印机也可以建造出收缩自如的排水管道。当暴雨来临时，管道可以变得更大以利于排水，雨水过去后，管道又能缩回原来的大小。

不仅如此，这些管道还可以根据需要预先设定好弯曲、扭动以及变形的形式，在地质灾害频发的地区，管道甚至可以自我组装和修复。

生物医疗领域同样能成为4D打印技术的秀场当前的人体植入设备比如心脏支架，如果采用4D打印技术制造，将不再需要给病人做开胸手术，可通过血液循环系统注射入携带设计方案的智能材料，到达心脏指定部位后自我组装成支架。

当然，普通人也可以享受4D打印技术的便利。

或许，在未来的某一天，你在家居城购买的4D打印家具，不再需要你自己动手组装，只需要把它放到院子里，浇上一点水，出去喝杯茶，回来家具就已经自己组装完成了。 4D打印能够打印出随时间变化而改变的物体。

材料与时间瓶颈

不过，在实现以上种种畅想之前，4D打印技术还有不少瓶颈需要突破。

首先是“催化剂”的问题。在迪比茨团队的实验以及之后一些4D打印技术研发项目中，所有触发变形材料变形的“催化剂”，都是水。

而在迪比茨看来，水作为“催化剂”虽然很常见，成本也很低，但4D打印技术要想进一步普及，就必须开发出更多的“催化剂”，比如声、光、电、热，甚至是最初摇晃烧瓶时的震动，这样4D打印的适用范围才能足够大。

这就需要研究人员开发出种类更丰富的智能材料，不仅能响应水的刺激，也能够响应其他的外部刺激。

另一个瓶颈不是来自4D打印，而是3D打印，目前大多数3D打印机规模相对来说都很小，如果要打印一栋大楼，就必须使用大型材料，以及高精度且可靠性较高的大型3D打印机。

这种3D打印机并非不能制造出来，但以现在大型3D打印机动辄数百万元的成本，制造适合4D打印的3D打印机，造价将非常昂贵，在成本上不可能达到普及应用的水平。

此外，4D打印虽然以打印时间为技术关键点，但时间也是4D打印的一大敌人，迪比茨最初让小棍变成“MIT”的实验，花费了近1个小时，打印那条镂空连衣裙则用了48个小时，以此计算，打印一栋大楼，需要多少小时？

与已经开始应用的3D打印技术相比，4D打印技术仍处于概念阶段，诸多技术瓶颈仍然没有有效的解决方法，但在科技高速发展的今天，谁能保证4D打印不会和3D打印一样，很快从概念变成现实呢？