4D打印正在成為現(xiàn)實(shí)，可能在這幾個(gè)領(lǐng)域率先應(yīng)用

來源:3D打印商情

如果你沉浸在科技新聞中，每隔一段時(shí)間你就會看到一個(gè)關(guān)于4D打印的新故事。這個(gè)概念本身并不難理解。如果3D打印是一個(gè)物體的逐層制造，那么4D打印就增加了第四維：時(shí)間。4D打印的物體一旦產(chǎn)生，就會對它的環(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)，并隨著時(shí)間的推移而變化。這樣，四維打印的物體就是一種可編程的物質(zhì).

更難對付的是這種新興技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。4D打印有什么好處？為了回答這個(gè)問題，我們將探索4D打印的許多應(yīng)用，從醫(yī)學(xué)研究到時(shí)尚，著眼于這一獨(dú)特的迷人技術(shù)的未來。

生物清洗
也許最先進(jìn)的“4D打印”是生物清洗，因?yàn)橐坏└杉?xì)胞被打印出來，它們就被培養(yǎng)到成熟，也就是說，隨著時(shí)間的推移而轉(zhuǎn)變。鑒于現(xiàn)在有許多生物清洗公司，可以說這是4D打印產(chǎn)生最大影響的地方。

Poietis的4D打印皮膚可用于醫(yī)學(xué)和美容研究。(圖片由Poietis提供)

目前唯一家將其流程稱為4D打印形式的公司是一家名為Poietis的法國公司。該公司使用這一術(shù)語是因?yàn)樗�聲稱一旦打印，“組織組成組織(細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì))…”。以有控制的方式進(jìn)化，直到特定的生物功能出現(xiàn)。“

控制成熟過程的能力部分是通過使用定制的CAD工具來實(shí)現(xiàn)的。該工具允許精確放置每一個(gè)微小的有機(jī)物液滴，使其能夠以基于細(xì)胞生長動態(tài)的可預(yù)測的方式生長。在硬件方面，生物打印機(jī)使用激光將生物墨水噴射到適當(dāng)?shù)奈恢�，這是在CAD工具中設(shè)計(jì)的。這與目前市面上提供的任何其他生物租賃機(jī)不同。

總之，這個(gè)過程能夠以每秒10，000滴的速度達(dá)到20m分辨率，從而使細(xì)胞濃度達(dá)到1億細(xì)胞/mL，而且，該公司聲稱100%的細(xì)胞活力。

到目前為止，這已經(jīng)允許Poietis開發(fā)Poieskin，由人體全厚度皮膚模型構(gòu)成的活組織皮膚，完全由三維生物沖洗產(chǎn)生。Poieskin由Ⅰ型膠原基質(zhì)中的真皮原代人成纖維細(xì)胞組成，覆蓋著由原代人角質(zhì)形成細(xì)胞演化而來的分層表皮。為了創(chuàng)造這一點(diǎn)，成纖維細(xì)胞和膠原蛋白首先以這樣的方式打印，即細(xì)胞之間的距離、膠原層和每個(gè)液滴的細(xì)胞數(shù)量都是優(yōu)化的。一旦真皮成熟，角質(zhì)形成細(xì)胞就會在皮膚暴露于空氣中形成表皮分層之前被印在其表面。

Poieskin可用于藥理學(xué)和化妝品研究。就前者而言，這意味著在測試了一種藥物對人體皮膚等效物的影響之后，使藥物更快地進(jìn)入市場。在后一種情況下，這意味著需要在動物身上測試護(hù)膚品和美容產(chǎn)品。

超材料
4D打印物體的經(jīng)典圖像與超材料有關(guān)，即根據(jù)環(huán)境或應(yīng)用情況改變其形狀或其他物理特性的材料。勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)和類似的政府研究實(shí)驗(yàn)室一直是這一領(lǐng)域的關(guān)鍵，因?yàn)樗麄兿Ｍ麨檐婈?duì)制造先進(jìn)的裝甲。

最近，LLNL發(fā)明了“磁場響應(yīng)機(jī)械超材料”，當(dāng)被磁場擊中時(shí)會變硬。雖然物質(zhì)(充滿鐵磁粒子)本身是不可打印的，但它可以被注入空心的3D打印晶格結(jié)構(gòu)，這樣，當(dāng)暴露在磁場中時(shí)，結(jié)構(gòu)就會變硬。當(dāng)力被移除時(shí)，結(jié)構(gòu)恢復(fù)到松弛狀態(tài)。通過改變磁力的功率，你可以改變物體的剛度。

鐵磁性納米粒子在暴露于電磁波之前被注入到3D打印結(jié)構(gòu)中。(圖片由朱勒·曼奇尼·LNL提供)

這一過程可能被用于制造頭盔、頸撐、光學(xué)或軟機(jī)器人。研究人員甚至認(rèn)為，它可以被納入汽車座椅，這樣，當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)碰撞時(shí)，座椅可能會變硬，以防止鞭打。

其他通過4D打印實(shí)現(xiàn)的超材料實(shí)例包括羅格斯大學(xué)(Rutgers University)研究人員的智能凝膠-新不倫瑞克大學(xué)(Rutgers University&New Brunswick)的研究人員，在那里，該團(tuán)隊(duì)能夠使用微立體光刻技術(shù)和一種獨(dú)特的光致聚合物來創(chuàng)建一個(gè)能夠根據(jù)環(huán)境溫度改變形狀的3D物體。在32℃以上的溫度下，水凝膠會排出水分并收縮。在這個(gè)溫度以下，物質(zhì)吸收水并膨脹。這種材料的可能性從軟機(jī)器人和柔性執(zhí)行器到生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

不同的溫度會使這個(gè)充滿水的物體改變形狀。(圖片由羅格斯大學(xué)提供)

同樣，香港城市大學(xué)(CityU)的研究人員也將形狀轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾刹牧稀Ｑ芯啃〗M利用陶瓷前驅(qū)體的彈性，制造出一種陶瓷-聚合物混合物，一旦從彈性狀態(tài)打印并釋放出來，就會變形成預(yù)先定義的形狀。

視頻顯示了陶瓷前驅(qū)物和基片的打印。然后拉伸基板，并添加用于連接前驅(qū)物的接頭。一旦基板從拉伸位置釋放，前驅(qū)體就被折疊成一個(gè)新的形狀。前驅(qū)體也可以直接打印在基板上，以產(chǎn)生同樣的效果。當(dāng)物體在窯中燃燒時(shí)，新的形狀將無限期地保留下來。具有很大潛力的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是打印用于航空航天工業(yè)的電子元器件和推進(jìn)部件的能力。

通過拉伸和釋放這些陶瓷物體，它們可以折疊成一個(gè)程序化的形狀。(圖片由城市大學(xué)提供)

自組裝
與超材料概念密切相關(guān)的是自組裝對象。這個(gè)領(lǐng)域的研究人員，就像麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室有時(shí)將依賴于多材料3D打印機(jī)，如來自Stratasys的PolyJet系統(tǒng)，用對環(huán)境反應(yīng)不同的材料制造物體，以獲得特定的結(jié)果。

以蘇黎世ETH的一個(gè)團(tuán)隊(duì)為例，一臺Stratasys Objet 3 Conext 5打印機(jī)被用來制造由形狀記憶聚合物、耐高溫硬質(zhì)聚合物和類似彈性體的聚合物制成的物體。這些物體被打印成平面的二維結(jié)構(gòu)，當(dāng)放置在溫暖的水中時(shí)，這些物體被展開成承載載荷的三維形狀，特別是隨著熱量的增加，特別是激活形狀的變化。

4D打印服裝
雖然大多數(shù)的4D打印發(fā)生在實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)工作室的神經(jīng)系統(tǒng)已經(jīng)成為著名的生產(chǎn)幾個(gè)4D打印的裙子，其中一個(gè)被現(xiàn)代藝術(shù)博物館(MoMA)收購。這些連衣裙符合4D打印物品的定義，因?yàn)樗鼈兪怯蛇B接的瓷磚混合而成的，當(dāng)從打印機(jī)取出時(shí)，這些瓷磚會展開成完全可穿戴的衣服。這樣就可以創(chuàng)建比移除打印機(jī)生成平臺更大的對象。

來源:3D打印商情