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4D，一（yī）片全新的天（tiān）地

2017-4-6 來源：數控機床市場作者（zhě）：吳玖

開篇之前（qián），請諸位同（tóng）筆者一起，將手放在胸膛，感受那裏澎湃的力（lì）量——是生命的源泉。

每一個生命體，都是大自然的傑作。內在的基因，加上外在的環境，在刺激與應激的循環裏，造就了（le）如今（jīn）的我們。未來，我（wǒ）們將一直處於變化之中。而這種變化，恰是處於時間的維度之上的。

2013年2月26日，在美國加州長灘舉行的TED2013大會上，麻省理工學（xué）院（MIT）建築部（bù）講師斯凱拉•蒂比茨（SkylarTibbits）將一種新穎（yǐng）的材料組合用於3D打印機，製（zhì）造出了一（yī）種線狀物體，該物體被放（fàng）入水中時（shí），能改變形狀組成字母“MIT”。通過這一實驗，提出了4D打印（yìn）的概念。而後，2014年10月8日，美國《外（wài）交》雙（shuāng）月刊發表（biǎo）了一篇名為《準備迎接（jiē）4D打印革命》的文章，讓4D打（dǎ）印技術概念風靡全球。

而所謂的4D打印，相比目前方興未艾的（de）3D打印技術多了一個（gè）時（shí）間（jiān）維度，通過軟件設定模型和時間，變形材料會在設定的時間內變形為所需的形狀。

4D 打印直接將（jiāng）設計內置到物料當中，簡化了從“設計理念（niàn）”到“實物”的造物（wù）過程。讓物體如機（jī）器般“自動”創造，不需要連（lián）接任何複雜（zá）的機電設備，能夠（gòu）創造出有智慧、有適應能力的新事物。

聽上去（qù）是不是很熟悉？

從（cóng）這種意義上來講，我們每個人（rén）都是大自然進行4D打印的產物。未來，製造出與人類完全相同的機器人是極為有可能的。

至於4D打印的流程大致（zhì）上是這樣的：

第（dì）一（yī）步是對材料進行編程，預設（shè）其對某些刺激（jī）因素所（suǒ）做出的反應。

第二步是把這樣的材料（liào）用3D打印機打印出來。

通俗上說，多了一個維度，就（jiù）相（xiàng）當於為目標產（chǎn）品內嵌了一個自我激活（huó）的3D打印機，可（kě）以根據外（wài）部刺激（jī）進行實時的（de）調整與再創造。

4D打印（yìn）的發展前景是誘人的。

這項技術的始作（zuò）俑者美國馬薩（sà）諸塞州技術研究實驗室總監Skylar Tibbits表示，4D打印可以生產（chǎn）智（zhì）能產品，它可以自動適應外部變化，進行（háng）自我修複。

比如說，管道（dào）可（kě）以設計成能夠根據水（shuǐ）流量進行膨脹或收縮的，或者在破裂時自（zì）我修複。此外，我們可以通過4D打印液態的支（zhī）架，然後通過血液循環係統，將其注射入攜（xié）帶設計方案的智能材料（liào），等其（qí）到達心髒指定部位後，再通過自我組裝成心髒支架。還有在軍事（shì）上，美陸（lù）軍首席技術官格（gé）雷絲·博（bó）赫內克有一個設想，防（fáng）彈（dàn）衣未來可能（néng）會采用4D打印技術。科學家未來可能開（kāi）發出輕（qīng）薄小巧的防彈衣，便於儲存和攜（xié）帶，但也可（kě）以伸展開（kāi）並提供全麵的防（fáng）護。用4D打印製造的目標產品的自適應或（huò）自修複技術也能在災難救（jiù）援或太空環境等惡劣（liè）環境中派上用場。甚至（zhì）當此項技術在全社會範圍內普及開來的（de）時候，每個人都可以是設計者與製造者。到時，我們的自主性會大大提高。

具體到機床行業，當（dāng）前看來，大到一部機床的操作台，小到擰緊連接部位的螺絲釘，無不（bú）受著加工過程中的各種因素的（de）影響（負載，溫度等（děng）等），我們要進行調整（zhěng），唯有裝上許多與之配套的數控係統，這樣無疑會增（zēng）加一部（bù）機床的造價，從而增加加工生產成本。可如果這些機床部件（jiàn）是通過4D打印的（de）呢？那麽它們（men）便可以隨（suí）時應激，隨時反應，使我們的機床總是處於一種最佳加工狀態。

我們甚至（zhì）可以進一步的暢（chàng）想，如果整部機（jī）床都是有4D打印技術（當然是在克服（fú）了剛度（dù），強度等等一係列難題的情況（kuàng）下。）打印出來的（de）呢？這樣一來，機床成（chéng）為了一個完整的整體，因各部件連接所造（zào）成的的（de）不良（liáng）影響也可以消除。到那時，我們的機床才能實現真正的自動化（huà）和智能化。

目前，工業4.0，智慧製造，人工智能等等口號鋪天蓋地，而要（yào）真正的進入智能化的時代，筆者敢斷言，4D打印（或與之（zhī）類似的技術）是繞不（bú）開（kāi）的。

唯有在無人踩踏的路上才能留下腳（jiǎo）印，麵（miàn）對著4D這樣一（yī）個（gè）全新的領域，對於處在飛速發展階段的我們，難道不是一次彎道超車的難得機遇嗎？

那麽，發展的關鍵發力點在哪（nǎ）裏呢？

要（yào）分析（xī）這個問題，必須要做的是明確當前4D打印技術的發展瓶頸（jǐng）在哪裏。

結合之（zhī）前筆者（zhě）提到的4D打印的過程，其限製因素也就蘊含其中。

第一，是打印材料的選取

4D打印的材料（liào）應當具備可編程模擬特性，照Tibbits的話（huà）說就（jiù）是：讓物體如機器般自（zì）動（dòng）製造，而不是先設定（dìng）好物體然後再製造。還（hái）有就是變（biàn）形後的穩定性，也就是應激變形後如何維持這種形狀以及與之伴隨的性能。

第二，是（shì）尋找合適的方法來控製刺激因素

當前實驗的4D打印技術所使用的材料隻能夠對水（shuǐ）做出應激（jī）反應。這恰恰是一個亟待克服的（de）難（nán）題。因為（wéi），4D打印成品一旦應用到實際之中，刺（cì）激因素的來源將有很多，光，電，力（lì），熱，磁等等等等。如何對這些因素進行精（jīng）準的反應，以及預設變（biàn）形，是編程技術上的難題。

以上兩點事（shì）4D概（gài）念上的難題，既然其是建立在3D打印的基礎上的，這就自然而然的引出了最後的限製因素——就是3D打印技術本身現存的限製因（yīn）素了。

目（mù）前進行3D打印的材料和時間（jiān）成本的消耗，還有就是針對於（yú）動態物（wù）體的打印的機器（qì）限製。筆者在大學進行課程設計期間，僅僅是簡單一（yī）個車架模型的（de）打印（尺寸很小），就要耗費普通人難以承受的時間金（jīn）錢成本。如何使3D打印技術日臻成熟，是我們現階段首要解決的問題。應當（dāng）與4D打印概念的完善同時甚至（zhì）要優先（xiān）進行（háng），切不可舍本逐末，好高騖遠。

提出了問題，就是為了解決（jué）問題。未（wèi）來總是光明的。

腳（jiǎo）踏實（shí）地，才能（néng）仰望星空，做好當（dāng）前的科學研發工作，努力自主攻堅克難（nán），期待著我國相關從業（yè）者有朝一日可以在如此前沿的（de）領域（yù）綻放光彩。

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