不管你信不信，4D 打印時(shí)代真的已經(jīng)來了!

　　伴隨著以數(shù)字化為核心的第三次工業(yè)革命浪潮的到來，3D 打印橫空出世， 被譽(yù)為數(shù)字化八大發(fā)明之一，是繼蒸汽機(jī)、電腦、互聯(lián)網(wǎng)后又一項(xiàng)偉大的創(chuàng)造。3D 打印是近年來最受矚目的材料科技之一，手槍、人體腎臟器官、嬰兒模型，甚至是“美女”都成了3D 打印的對(duì)象。然而，3D 打印方興未艾，4D 打印時(shí)代已經(jīng)悄然來臨。

　　眾所周知，3D 打印要預(yù)先建模、掃描，然后用相應(yīng)的材料按照之前的計(jì)劃復(fù)制出來。4D 打印則是直接將程序輸入材料當(dāng)中，物體被打印出來后，可以自主變形、重塑，而且不需要任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備。

　　所謂的4D 打印， 實(shí)際上是把一種能夠自動(dòng)變形的材料放入水中， 它就能按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)自動(dòng)折疊成相應(yīng)的形狀。這項(xiàng)技術(shù)來自供職于麻省理工學(xué)院的建筑師、設(shè)計(jì)師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯凱勒·蒂比茨(Skylar Tibbits)。在麻省理工學(xué)院的自我組裝實(shí)驗(yàn)室，蒂比茨有一個(gè)750 L 的大魚缸，足以養(yǎng)活一頭鯊魚。他發(fā)明的4D 打印機(jī)目前還只能在水里工作。而這項(xiàng)技術(shù)的核心概念則是自我組裝， 就是能夠創(chuàng)造出一個(gè)在打印出來后能夠自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境來變化形狀、自我調(diào)整的物體。

　　相關(guān)資料顯示，這項(xiàng)所謂的4D 打印技術(shù)，更準(zhǔn)確地說依賴一種能夠自動(dòng)變形的材料———記憶合金， 而這種自動(dòng)變形的材料是4D 打印須臾不可離開的東西。當(dāng)下受到熱捧的4D 打印概念，其主線就是記憶合金。

　　什么是記憶合金? 記憶合金是一種原子排列很有規(guī)則、體積變?yōu)樾∮?.5%的馬氏體相變合金。這種合金在外力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，當(dāng)把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復(fù)原來的形狀。

　　這是怎么回事? 難道合金也具有人類那樣的記憶力? 當(dāng)然，它不可能像人類大腦思維記憶，這只是利用某些合金在固態(tài)時(shí)其晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的特點(diǎn)而已。例如，鎳鈦合金在40℃以上和40℃以下的晶體結(jié)構(gòu)是不同的， 但溫度在40℃上下變化時(shí)，合金就會(huì)收縮或膨脹，使得它的形態(tài)發(fā)生變化。

　　這里，40℃就是鎳鈦記憶合金的變態(tài)溫度。一根螺旋狀高溫合金，經(jīng)過高溫退火后，它的形狀處于螺旋狀態(tài)。在室溫下，即便用很大力氣把它強(qiáng)行拉直，但只要把這根鎳鈦記憶合金絲加熱到一定的變態(tài)溫度時(shí)，這根合金仿佛記起了什么似的，立即恢復(fù)到它原來的螺旋形態(tài)。

　　各種合金都有自己的變態(tài)溫度。所謂的記憶合金，更準(zhǔn)確地說應(yīng)該稱之為“記憶形狀的合金”，由于它具有百萬次以上的恢復(fù)功能，因此叫做記憶合金。

　　在一次新材料的研討會(huì)上， 一位教授手持一個(gè)盛有水的玻璃瓶， 上面插有一只漂亮的用紙做的蝴蝶。他走上講臺(tái)一言未發(fā)，從容地掏出打火機(jī)把瓶子加熱。不一會(huì)兒，只見蝴蝶的翅膀飛舞起來。原來，在蝴蝶下面有一根所謂“形狀記憶”合金絲，這根絲隨著水溫的升高和降低會(huì)突然伸長或縮短。

　　此外，記憶合金還具有無磁性、耐磨耐蝕、無毒性的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。除了鎳鈦合金，科學(xué)家們現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了幾十種不同記憶功能的合金， 比如金鎘合金、銅鋅合金等，有些已在某些領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用。例如，通常的鉚接必須從一邊裝入鉚釘，在另一邊用氣錘將鉚釘?shù)念^錘扁。但是，遇到封閉的容器或開口狹窄的容器，你根本無法深入到容器里去作業(yè)，這時(shí)可用記憶合金事前做成兩頭都是扁的鉚釘，在低溫下把一端的扁頭硬壓成插孔大小的圓柱狀。鉚接時(shí)，只要從低溫箱中將鉚釘取出，迅速裝入被鉚容器的插孔內(nèi)，再把鉚釘加熱到變態(tài)溫度以上，原先被壓圓的一端便自動(dòng)回復(fù)成扁形， 這樣就把容器牢固地鉚緊了。

　　事實(shí)上， 形狀記憶合金早已應(yīng)用于工業(yè)中。比如，用形狀記憶合金制作月面天線。月面天線伸展開來很寬大，火箭無法容納，而有了形狀記憶合金，則可以不費(fèi)吹灰之力解決這一問題。研究人員用Ni-Ti 合金絲在馬氏體相變溫度以上先做成月面天線，然后在低于該溫度時(shí)把月面天線壓成小團(tuán)裝入運(yùn)載火箭，當(dāng)發(fā)射至月球表面后，通過太陽能加熱而恢復(fù)原形。

　　由于記憶合金有著百萬次以上的恢復(fù)能力，所以很多人叫它“有生命的合金”。正是因?yàn)橛洃浐辖鹗且环N“有生命的合金”，利用它在一定溫度下形狀的變化，就可以設(shè)計(jì)出形形色色的自控器件，它的用途正在不斷擴(kuò)大。

　　目前， 記憶合金已運(yùn)用于管道結(jié)合和自動(dòng)化控制方面，用記憶合金制成套管可以代替焊接，方法是在低溫時(shí)將管端內(nèi)徑擴(kuò)大約4%，裝配時(shí)套接一起，一經(jīng)加熱，套管收縮恢復(fù)原形，形成緊密的接合。美國海軍飛機(jī)的液壓系統(tǒng)使用了10 萬個(gè)這種接頭，多年來從未發(fā)生漏油和破損。船艦和海底油田管道損壞，用記憶合金配件修復(fù)起來十分方便。在一些施工不便的部位，用記憶合金制成銷釘，裝入孔內(nèi)加熱，其尾端自動(dòng)分開卷曲，形成單面裝配件。

　　記憶合金在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用有很多成功的范例。人造衛(wèi)星上龐大的天線可以用記憶合金制作。發(fā)射人造衛(wèi)星之前，將拋物面天線折疊起來裝進(jìn)衛(wèi)星體內(nèi)，火箭升空把人造衛(wèi)星送到預(yù)定軌道后，只需加溫，折疊的衛(wèi)星天線因具有“記憶”功能而自然展開，恢復(fù)拋物面形狀。

　　記憶合金特別適合于熱機(jī)械和恒溫自動(dòng)控制，已制成室溫自動(dòng)開閉臂，能在陽光照耀的白天打開通風(fēng)窗，晚間室溫下降時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。記憶合金熱機(jī)的設(shè)計(jì)方案也不少，它們都能在具有低溫差的兩種介質(zhì)間工作，從而為利用工業(yè)冷卻水、核反應(yīng)堆余熱、海洋溫差和太陽能開辟了新途徑?，F(xiàn)在普遍存在的問題是效率不高，只有4%～6%，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

　　2016 年5 月，數(shù)千名來自澳大利亞皇家外科醫(yī)學(xué)院和英國皇家外科醫(yī)學(xué)院的醫(yī)生們聚集到布里斯班會(huì)展中心，參加每年一次的科學(xué)年會(huì)。年會(huì)上，一場(chǎng)討論會(huì)引起了人們的關(guān)注， 該討論會(huì)研究的是一個(gè)案例， 即有一群醫(yī)生將動(dòng)態(tài)4D 打印技術(shù)用于手外科的手術(shù)前規(guī)劃。

　　負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的是Michael Chae 醫(yī)生，他是一位整形外科住院醫(yī)生， 同時(shí)也是墨爾本莫納什大學(xué)(Monash University)的在讀博士生。Michael Chae介紹了他們的研究團(tuán)隊(duì)是如何將時(shí)間維度加入到觸覺模型上以幫助提供關(guān)于手部骨頭運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)解剖學(xué)信息。研究團(tuán)隊(duì)使用4D 計(jì)算斷層掃描(CT)技術(shù)掃描患者手部的骨頭， 幫助塑造他們手部在進(jìn)行諸如拇指外展、對(duì)掌和側(cè)捏等動(dòng)作時(shí)的準(zhǔn)確展現(xiàn)模型。

　　從根本上說，Chae 醫(yī)生的研究團(tuán)隊(duì)所謂的4D 打印，實(shí)際上是在3D 打印的外科模型上加入了時(shí)間的維度，以幫助展示拇指運(yùn)動(dòng)時(shí)掌骨位置的變化。因此，這些4D 打印模型能夠提供患者的解剖結(jié)構(gòu)更為動(dòng)態(tài)的信息， 以幫助外科醫(yī)生在進(jìn)行手術(shù)前獲得準(zhǔn)確而詳細(xì)的信息。

　　將記憶合金用于4D 打印，有人認(rèn)為，不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，還可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至建筑行業(yè)， 而與之前3D打印概念相比，顯然將具備更大的發(fā)展前景。

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