4D打印技术
「 1. 4D打印技术的内涵 」
1）智能构件与4D打印技术
智能构件具备智能特性，即构件的形状、性能或功能能够在外界特定环境的刺激下随时间或空间发生预定的可控变化，智能构件即为具备这种“智能”特性的构件。以飞行器为例，传统的以机械构件为主的飞行器的机动性能，因主要依赖全机减重、气动优化和机电加强而逐渐发挥至极限，但以智能构件为主的飞行器是一个飞行机器人，具备智能化的特点：能够根据飞行需要，自适应外界环境的不断变化，实现自驱动的形状改变、性能改变和功能改变。
智能构件的前瞻性价值高，涉及领域广，能实现构件形状、性能和功能的可控变化，但其结构往往具有复杂化、精细化、轻量化等特点。在智能构件领域，目前缺乏结构设计的基础理论和有效制造方法、缺少满足应用需求的材料体系、尚未建立科学体系框架。正因为如此，传统的制造工艺很难甚至无法制造结构复杂、精细的智能构件。
增材制造技术是近40年来，由新材料技术、制造技术、信息技术等多学科交叉融合发展的先进制造技术，它基于构件的CAD模型，通过“逐点成面”“逐面成体”的方式，能够实现任意复杂结构的成形。因此，增材制造技术尤其适用于结构复杂的智能构件的成形。智能构件的增材制造技术赋予传统增材制造构件以“智能”特性，给传统的3D打印工艺增加了时间和空间的维度。所以，智能构件的增材制造技术即是4D打印技术。
2）4D打印技术的内涵
4D打印技术的概念最初是由美国麻省理工学院（MIT）的Tibbits教授在2013年的TED大会上提出，他将一个软质长圆柱体放入水中，该物体能自动折成“MIT”的形状，这一形状改变的演示即是4D打印技术内涵的开端，随后掀起了研究4D打印技术的热潮。4D打印技术在刚提出的时候被定义为“3D打印+时间”，即3D打印的构件，随着时间的推移，在外界环境的刺激（如热能、磁场、电场、湿度和pH值等）下，能够自适应地发生形状的改变。由此可见，最初的4D打印技术概念注重的是构件形状的改变，并且认为4D打印是智能材料的3D打印，关键要在3D打印中应用智能材料。
随着研究的深入，4D打印技术内涵也在不断演变和深化。2016年，华中科技大学史玉升教授组织国内有关专家举办了第一届4D打印技术会议，提出4D打印技术内涵是3D打印构件的形状、性能和功能能够在外界预定的刺激（热能、水、光、pH值等）下，随时间发生变化。相比于最初的4D打印技术内涵，表明4D打印构件随外界刺激的变化不仅仅是形状，还包括构件的性能和功能，这使得4D打印技术的内涵更丰富，推动4D打印的研究从形状变化走向形状、性能和功能的变化，只有性能和功能发生了变化才具有智能化的意义，才具备应用价值。
4D打印技术会议每年举行一次，通过持续不断地交流和论证，专家们认为，4D打印不仅是应用智能材料，还有非智能材料，也应当包括智能结构，即能在构件的特定位置预置应力或者其他信号；4D打印构件的形状、性能和功能不仅随时间维度发生变化，而且还能随空间维度发生变化，并且这些变化是可控的。因此，进一步深化的4D打印技术内涵注重在光、电、磁和热等外部因素的激励诱导下，4D打印构件的形状、性能和功能随时空能自主调控，从而满足“变形”“变性”和“变功能”的应用需求。因此，4D打印技术是增材制造技术的一个分支，它和3D打印技术都属于增材制造技术。
3）4D打印构件的“三变”
4D打印构件能实现形状、性能和功能的可控变化，简称为“变形”“变性”和“变功能”。这“三变”中只要实现了其中一个，就认为是实现了4D打印。图1列举了“三变”的实例。
图1 4D打印构件变形、变性和变功能实例
（a）变形。通过控制构件的磁性分布，使其在磁场中发生可控变形；（b）变性。通过变化温度改变材料的刚度，实现操作臂的弯曲与固定；（c）变功能。利用温度控制电路的通断，实现导电与断电的功能变化
如图1（a）所示，美国MIT的赵选贺教授团队制备了多种具有可编程磁畴的二维平面结构，在外界磁场中，这些平面结构可以发生复杂的变形。如图1（b）所示，西安交通大学的李涤尘教授团队研究了离子聚合物-金属复合材料（ionic polymer-metal composites，IPMC）的4D打印技术，通过控制不同电极电压的加载方式，可以使柱状的IPMC发生多自由度弯曲，同时材料的刚度也发生了变化。如图1（c）所示，以色列耶路撒冷希伯来大学的Matt Zarek等制备了形状记忆材料的电子器件，电子器件接入到电路中，通过温度控制器件的变形，进而控制电路的导通与断开。需要注意的是，这“三变”并非相互独立，变功能是变形和变性所导致的结果，具体可分为变形和变性共同导致变功能，以及变形、变性两者其一导致变功能。图1（a）所展示的磁性构件在磁场中的结构变化即是典型的“变形”；图1（b）中4D打印的IPMC构件在变形后刚度发生了变化，这即为“变性”。图1（c）中通过形状记忆材料变形控制电路的通断，实现了“变功能”。
「 2. 4D打印技术的研究现状 」
图2是Web of Science关于4D打印技术研究论文发表情况的统计。从图2（a）看出，4D打印技术的论文发表数量逐年增多；图2（b）表明4D打印技术的论文引用量也在逐年增多；图2（c）说明4D打印技术的研究主阵地在美国，中国紧随其后，但是论文发表数量大约只有美国的一半；图2（d）显示目前研究4D打印的工艺以现有常见的3D打印工艺为主，主要有熔融沉积成形（fused deposition modelling，FDM）、光固化（stereolithography，SLA）、墨水直写（direct ink writing，DIW）、喷墨打印（inkjet）、数字光处理（digital light processing，DLP）、激光选区烧结（select laser sintering，SLS）和激光选区熔化（select laser melting，SLM）。
图2 Web of Science关于4D打印技术论文发表的统计数据
（a）发表数量;（b）每年的引用数量;（c）不同国家/地区的发表数量;（d）使用不同打印工艺的4D打印技术发表数量（数据统计时间段为2013年至2020年12月）
图3是4D打印技术专利申请情况的统计，可以看出，2018年后中国专利申请数量超过其余国家总和。
图3 关于4D打印技术专利申请的统计数据
（数据统计时间段为2013年至2020年12月）
4D打印技术按材料属性不同，可分为聚合物、形状记忆合金、陶瓷材料，其中聚合物又包括形状记忆聚合物、电活性聚合物、水驱动型聚合物等。4D打印形状记忆聚合物的成形工艺有FDM技术、光固化成形技术、聚合物喷射技术、DIW技术等。相较于高分子及其复合材料而言，金属及其复合材料一般具有更为优良的力学性能，可实现承载和变形、变性、变功能等智能变化的多功能集成。目前4D打印金属及其复合材料主要包括各类形状记忆合金及其复合材料。
「 3. 4D打印技术的应用领域 」
4D打印技术在航空航天、生物医疗、汽车、柔性机器人等领域都具有广泛的应用前景。
在航空航天领域，单一的机翼形状并不能满足飞机在各种飞行状态下的需求，而变形机翼飞机可以随着外界环境变化，柔顺、平滑、自主地不断改变外形，以适应不同飞行状态的空气动力学需求，保持飞行过程中的性能最优。
在航天领域，利用4D打印形状记忆合金天线，在发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，利用太阳辐射使其升温，折叠的卫星天线自动展开，大大减少所需的机械构件数量和重量，降低卫星发射的体积和重量。利用4D打印太阳能阵列面板，在发射之前是占用空间小的折叠状态，发射到太空中后受热再自动展开，降低占用空间，节约能耗。
在生物医疗领域，利用4D打印技术成形医疗支架，在植入前对其进行变形处理，使之体积最小，在植入人体后，通过施加一定的刺激使其恢复设定的形状以发挥功能，这样可以最大程度地减小患者的伤口面积；利用4D打印NiTi形状记忆合金也可以用于接骨器，NiTi形状记忆合金接骨器在手术时无需外加螺丝固定，减轻了对患者的二次损伤，不仅可以将两段断骨固定，而且在恢复原形状的过程中会产生压缩力，迫使断骨接合在一起。
在汽车领域，智能自修复材料可以大显身手。汽车凭借智能材料，可以“记住”自身原来的形状，甚至可以在汽车发生事故后实现“自我修复”的功能，还可以改变汽车的外观和颜色。4D打印构件组成的汽车会具有可变的外形，比如可调节的天窗和扰流板，汽车可以根据气流改进其空气动力学结构，提升操纵性能。丰田公司采用TiNi基形状记忆合金成形散热器面罩活门，当发动机的温度低于形状记忆合金的响应温度时，形状记忆合金弹簧处于压缩状态，则活门关闭；当发动机温度升高至响应温度以上时，弹簧则为伸长状态，从而活门打开，冷空气可以进入发动机室内。
在柔性机器人领域，可以根据实际需要灵活地改变自身的尺寸和形状，可用于更加复杂的作业中，具有更高的安全性和环境相容性，因此柔性机器人有着巨大的应用价值和前景。如通过多重形状记忆聚合物4D打印成形出多种仿生机械手结构，在热驱动下，机械手可成功实现螺丝钉的抓取和释放（图4）。
图4 仿生机械手抓取螺丝钉的演示图
「 4. 4D打印关键技术 」
总的来说，4D打印技术虽然取得了一定的进步但仍然存在以下几个问题：
（1）目前4D打印智能构件尚处于演示阶段，大多数结构只能用于实验室展示，缺乏智能构件的设计理论与方法体系，未能将微观变形与宏观性能改变相结合，未能建立4D打印智能构件形状-性能-功能一体化可控/自主变化的方法。
（2）4D打印智能构件形状/性能/功能的时空变化缺乏理论模拟、仿真与预测等技术手段。
（3）4D打印材料体系匮乏，缺乏满足应用需求的4D打印材料体系；材料工艺匹配性研究欠缺，尚无复杂智能构件的有效制造方法。
（4）目前4D打印构件变形量小、响应速度慢，尚无法满足功能构件可控/自主变化需求，且常规的构件评价方法大都注重力学性能，而智能构件具有自适应变化特性，其验证方法区别于常规构件，尚无有效的评价方法与集成验证体系。
针对上述4D打印中存在的问题，我们提出未来将要着重研究的几项4D打印关键技术，具体有以下几个方面：
（1）智能构件的建模、功能预测及优化调控。建立智能构件的设计与理论体系，实现宏观性能、功能变化的调控，将智能构件基础设计理论应用于模拟仿真软件，实现对智能构件形状、性能、功能时空变化的预测。
（2）4D打印材料与成形装备。目前能用于4D打印的材料还较少，急需开发系列适用于4D打印技术的材料体系，使激励响应的形式多样化，同时提高现有4D打印材料的性能。此外，需要研发适用于4D打印的装备，单一材料的变形能力往往有限，未来将发展多种材料协调变形的4D打印结构。
（3）4D打印材料与工艺的匹配性。4D打印材料经成形构件后，其变形/变性/变功能特性有可能无法达到预期值，在4D打印过程中其性能可能有所损耗。比如形状记忆合金在SLM成形过后是否还具有记忆性能，记忆性能与传统制造方法有无变化，是否需要进行后处理才能够获得记忆性能，SLM成形的各向异性、孔隙率等是否对形状记忆性能产生影响，这些都是有待解决的问题。
（4）智能构件的功能实现与评价方法。智能构件具有自适应变化特性，其验证方法区别于常规构件，而目前尚无有效的评价方法与集成验证体系。评价智能构件的质量需要通过尺寸精度、功能特性、力学性能等多方面因素的考量，应当建立起针对智能构件的有效评价体系。
「 5. 展望 」
4D打印在3D打印的基础上引入了时间和空间的维度，通过对材料和结构的主动设计，使构件的形状、性能和功能在时间和空间维度上能实现可控变化，满足变形、变性和变功能的应用需求。3D打印技术要求构件的形状、性能和功能稳定，而4D打印技术要求构件的形状、性能和功能的可控变化。4D打印这种极具颠覆性的新兴制造技术在航空航天、汽车、生物医疗和软体机器人等领域具备广阔的应用前景，由此可知，4D打印不只是目前的“能看”，而且将来逐步“能用”。对4D打印的深入研究必将推动材料、机械、力学、信息等学科的进步，为智能材料、非智能材料和智能结构的进一步发展提供新的契机。4D打印研究尚处于增材制造构件形状变化的现象演示阶段，对构件性能和功能的可控变化应当成为今后4D打印研究的重点。因此，今后我们必须需要研究如下内容：4D打印智能构件的设计理论与方法，4D打印过程及其智能构件服役过程的模拟仿真技术，4D打印数据处理与工艺规划技术，4D打印材料及其材料-工艺-性能-功能的关联模型，4D打印的工艺与装备，智能构件的有效评测方法和集成验证体系。
总之，4D打印技术尽管处在起步阶段，但在广大科研工作者的不懈努力攻关下，一定能迎来璀璨的明天！
