4D打印技術(shù)在軍事、生物、建筑領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

4D打印技術(shù)與3D打印技術(shù)從字面相比較，多了一個(gè)“D”，多出的這個(gè)“D”是指時(shí)間緯度，準(zhǔn)確地說是一種新型能夠自動(dòng)變形的材料，不需要借助于任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能夠按照事先所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品自動(dòng)折疊成相應(yīng)的形狀，并滿足性能要求。4D打印的關(guān)鍵是記憶合金，4D打印由MIT（麻省理工學(xué)院）與Stratasys（斯特塔西有限公司）教育研發(fā)部門合作研發(fā)的一種能讓材料快速成型的革命性新技術(shù)。

3D打印技術(shù)是建模在先，打印產(chǎn)品在后，而4D打印則是把產(chǎn)品設(shè)計(jì)嵌入可以變形的智能材料中，無需人為干預(yù)，通過某些特定條件激活，進(jìn)行自我組裝，得到產(chǎn)品。4D打印的創(chuàng)新點(diǎn)在于“變”，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，它不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，而且可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印。4D打印技術(shù)是對(duì)3D技術(shù)的改進(jìn)和完善，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，我們完全有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來，4D打印技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際必將成為一種可能，且存在巨大的應(yīng)用前景。

1 4D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望
1.1 在武器裝備制造中的應(yīng)用及展望
傳統(tǒng)的武器裝備制造流程為：制造→部署→使用→報(bào)廢，而 4D的武器裝備制造流程為：半成品制造→部署→現(xiàn)場(chǎng)塑造→使用→回收→再部署。4D打印生產(chǎn)的武器裝備可根據(jù)環(huán)境和攻擊目標(biāo)而優(yōu)化武器攻擊性能，從而提高作戰(zhàn)效能。值得一提的是4D打印技術(shù)可使智能材料感知外光的變化，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境融為一體，從而改善偽裝效果。美國(guó)陸軍部已投入大量資金開發(fā)“自適應(yīng)偽裝作戰(zhàn)服”。該作戰(zhàn)服的研究和開發(fā)如果成功，則具有以下三個(gè)方面的典型特色：

（1）隱身功能，該服裝能在不同的環(huán)境下自由變換色彩，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)隱身；
（2）適穿功能，根據(jù)溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)服裝厚度和透氣性，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)舒適性；
（3）防彈功能，根據(jù)所受外力自動(dòng)調(diào)節(jié)軟服裝外圍硬度，平時(shí)穿著柔軟如織，遇子彈襲擊堅(jiān)硬如鋼，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)保護(hù)。


1.2 在大型軍用裝備構(gòu)件制造中的應(yīng)用及展望

大型軍用構(gòu)建制造的成本控制一直是個(gè)難題，然而利用4D打印技術(shù)可以大為改善，我們可以控制智能材料的關(guān)鍵部位或 敏感部位，把大型構(gòu)件設(shè)計(jì)成折疊狀，然后利用3D打印機(jī)得到半成品，通過特殊的參數(shù)刺激控制來實(shí)現(xiàn)大型軍用構(gòu)件的自動(dòng)展開。例如將4D打印技術(shù)應(yīng)用于軍用人造衛(wèi)星，通過該技術(shù)的自動(dòng)展開和組裝功能快速成型帆板和天線等大型構(gòu)件，將大大減少機(jī)械部件的數(shù)量和重量，降低發(fā)射軍用衛(wèi)星所需成本。據(jù)有關(guān)報(bào)道，美國(guó)利用3D打印技術(shù)制造軍工部件已獲成功，但是仍需花費(fèi)大量的人力資源才能把這些部件組裝成完整的軍事用品。利用4D打印技術(shù)制造出的部件，則無需人工組裝，它們會(huì)自動(dòng)組裝成為一個(gè)成品。試想戰(zhàn)機(jī)的各個(gè)部件若用4D打印技術(shù)制造，則何懼?jǐn)橙伺诨鸸�擊，損壞的部件會(huì)快速被生長(zhǎng)出的新部件所取代，完好如初。試想將4D打印技術(shù)應(yīng)用于防御工事外部罩殼的制造，受到炮火襲擊后如有“裂痕”，則外部罩殼可以自行彌合裂痕，讓防御工事堅(jiān)固如初。

1.3 在微型軍用機(jī)器人制造中的應(yīng)用及展望
眾所周知，微型機(jī)器人在未來戰(zhàn)場(chǎng)上執(zhí)行大量偵察和打擊任務(wù)，它的優(yōu)勢(shì)在于“微”，但目前的微型機(jī)器人仍是由大量的齒輪、軸承等機(jī)械部件組成，這些部件的存在限制了其體積、重量和能耗進(jìn)一步“微型化”。4D打印技術(shù)將為微小型機(jī)器人的制造、運(yùn)動(dòng)與變形提供新的技術(shù)路線，通過敏感材料的精確設(shè)計(jì)和控制有望取代齒輪等傳統(tǒng)機(jī)械部件，實(shí)現(xiàn)微型軍用機(jī)器人的進(jìn)一步微型和靈活運(yùn)動(dòng)，從而顯著減小機(jī)器人的體積、重量和能耗需求。

1.4 在軍事后勤保障中的應(yīng)用及展望
4D打印技術(shù)可將更多武器裝備制造成折疊狀態(tài)，方便遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)。同時(shí)采用4D打印出的半成品將有更強(qiáng)的可塑造能力和環(huán)境適應(yīng)能力，也有望減少裝備器材的種類和庫存數(shù)量，提高后勤效率，發(fā)揮更強(qiáng)的作戰(zhàn)效能。比如利用4D打印技術(shù)開發(fā)的萬能背包，這個(gè)背包平時(shí)與普通背包無異，但在海水中可立即變成救生艇，高空墜落時(shí)可變成降落傘，夜晚宿營(yíng)時(shí)可變成舒適帳篷。

2 4D打印技術(shù)在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望
2.1 在生物領(lǐng)域中的正面影響
4D打印技術(shù)制造出的智能結(jié)構(gòu)，可以發(fā)生由一維結(jié)構(gòu)或二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的變化，或者由一種三維結(jié)構(gòu)變成另一種三維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的隨意變化也給4D打印技術(shù)的應(yīng)用帶來無窮的暢想，而生物醫(yī)療領(lǐng)域最有可能成為該炫技的主秀場(chǎng)。將4D打印的產(chǎn)品應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是普及至人體內(nèi)應(yīng)用，無疑是人類健康醫(yī)療發(fā)展的福音。伴隨著納米技術(shù)與數(shù)字化制造在第四維空間研發(fā)的深入，4D打印將可以進(jìn)入非常微小的空間進(jìn)行“工作”。

麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)家丹雷維夫曾表示，4D打印有利于新型醫(yī)療植入物的發(fā)明。比如心臟支架，如果采用4D打印技術(shù)制造，將不再需要給病人做開胸手術(shù)，可通過血液循環(huán)系統(tǒng)注射入攜帶設(shè)計(jì)方案的智能材料，其到達(dá)心臟指定部位后自我組裝成支架。除此之外，多自由度操作臂是微創(chuàng)技術(shù)未來發(fā)展的研究難點(diǎn)。李滌塵表示，他們正在自主研發(fā)智能材料，并通過4D打印技術(shù)應(yīng)用于多自由度操作臂的制造研究中。“未來手術(shù)操作臂可以通過食道、肛門等人的自然腔道進(jìn)入人體，并在體內(nèi)任意更改方向�！�

李滌塵稱，電極施加電壓作用在智能材料上，就可以實(shí)現(xiàn)操作臂的多自由度彎曲和轉(zhuǎn)向，從而成為一種剛?cè)岵��?jì)的操作臂柔性控制方法。4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是癌癥治療方面將會(huì)有進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展。牛津大學(xué)圣安東尼學(xué)院榮譽(yù)學(xué)者納伊夫·魯贊曾在美國(guó)《外交》雙月刊網(wǎng)站發(fā)文稱，借助4D打印的原理，研究人員還能夠利用DNA鏈制造出對(duì)抗癌癥的納米機(jī)器人。近期有外媒報(bào)道，美國(guó)國(guó)防部撥付850萬美元資金，支持美國(guó)西北大學(xué)國(guó)際納米技術(shù)研究所進(jìn)行4D打印機(jī)的研究與開發(fā)，該設(shè)備將能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度下的操作，讓我們期待4D打印在醫(yī)藥領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 在生物領(lǐng)域中的負(fù)面影響
人體內(nèi)的4D打印細(xì)胞或納米機(jī)器人，如果監(jiān)控不到位的話，很容易演變成被壞人利用的生物武器原型。而可編輯材料所具有的自變形特性，讓其相較于3D打印而言，被犯罪分子利用的風(fēng)險(xiǎn)性也更大。比如針對(duì)搶支等違禁物品來說，3D打印出來的直接是具體實(shí)物，相對(duì)容易被發(fā)現(xiàn)和控制；而4D打印物在打印之初，有可能是任何形態(tài)，只有在一定的環(huán)境和介質(zhì)作用下，才會(huì)“變形”為預(yù)先設(shè)定的真實(shí)面目�？梢哉f，讓人防不勝防。 研究人員借助4D打印的原理，利用DNA鏈造出了對(duì)抗癌 癥的納米機(jī)器人。在這方面，雙重用途同樣帶來切實(shí)的擔(dān)憂。由于能夠輕易獲得必要的工具，一些人可以利用此類技術(shù)來制造新的生物武器。另外，許多圍繞3D打印的擔(dān)憂還在繼續(xù)存在，有些新技術(shù)成為犯罪分子利用的手段（已有人通過3D打印機(jī)制造出gun和手銬鑰匙）。同時(shí)，4D打印技術(shù)的出現(xiàn)，制造商將有更多途徑來定制產(chǎn)品，從而進(jìn)一步縮短供應(yīng)鏈，但這也將危及技術(shù)工種，并且產(chǎn)生產(chǎn)品問責(zé)的問題和知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題也會(huì)越來越復(fù)雜。

3 4D打印技術(shù)在工業(yè)建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望
蒂比茨和他的團(tuán)隊(duì)介紹，把4D打印技術(shù)應(yīng)用于城市管道建 設(shè)，將是一個(gè)了不起的建筑技術(shù)飛躍，管道的自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)組裝和自動(dòng)修復(fù)功能可以降低管道鋪設(shè)的難度和成本，還可以輕松應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，危險(xiǎn)地區(qū)的工程將不再需要人的參與。人們只需在電腦上完成管道規(guī)劃和技術(shù)嵌入，接下來的一切只需“打印”。

4結(jié)語
當(dāng)然，4D打印技術(shù)還有待成熟，還存在諸如智能材料缺少， 打印機(jī)規(guī)模太小等問題，但是3D打印技術(shù)從構(gòu)想到成熟只用了20年，所以我們有理由相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這些難點(diǎn)必將被攻克，4D打印技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)將會(huì)成為一種可能，并且在未來的制造領(lǐng)域中定會(huì)大顯身手。

編輯：南極熊
作者：趙峰，李素麗，劉偉 （陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）
延伸閱讀：
從3D打印到4D打印——南極熊深度解析智能材料的增材制造技術(shù)