如果制造出来的三维物体能够像生命体一样活动，检测外界刺激比如光、温度、湿度和电磁场，然后对周围环境做出反应和适应？如果它们能够自行弯曲、组装和修复，甚至通过改变形状、大小、颜色或功能自行解体，会发生什么?如果它们也能回到原来的状态呢?所有这些假设可能看起来像是科幻小说里的东西，但它们已经是现实。
通过将3D技术的发展与所谓的使用结合起来智能材料然后应用一个数学模型来编程和预测它们的行为，上述所有都是可能的。世界上最好的实验室和研究团队一直在研究这种卓越的数字印刷技术，目标是创造出自力更生的、没有电线和电路的三维物体。
想象一件衣服会随着周围环境的变化而改变颜色。或运动鞋,变换并根据移动和冲击来适应你的脚。一件扁平的家具怎么样，它可以自己折叠和打开以节省空间?或者一辆有自动修复轮胎的汽车?或者是水管的膨胀和收缩取决于流经它们的水量?不要忘记能够适应身体的植入物一个还在成长的孩子，当他们不再被需要的时候就会消失。此外，还有一种特殊类型的网状织物，它可以一面反射光线，一面吸收光线，可以以多种不同的方式折叠，非常适合用于宇航员服、建造太空天线，或者用作保护航天器和卫星免受陨石撞击的盾牌。
所有这些和更多的是什么4D打印是所有关于。这是下一个这是工业设计的一大挑战这意味着我们对结构的理解发生了根本性的变化，这是一场不断演变的革命。“这是一个新时代的黎明，它有很大的潜力，但仍处于相当早期的阶段，”卡洛斯Sánchez Somolinos说CSIC(高等科学研究理事会)INMA(纳米科学与材料研究所Aragón)，他是先进制造实验室的负责人和CSIC增材制造发展跨学科学科平台的成员。说到4D结构，Sánchez Somolinos是西班牙最有知识的科学家之一。他和他的团队正在从事一些非常有前途的项目，例如生物医学和软机器人．这里只是一个例子:
4D打印的起源
让我们来看看这个迷人的故事是如何开始的。不久以前，“打印”这个词让人联想到一张沾着墨水的纸，从有点嘈杂的机器里吐出来。然后，在20世纪70年代末，3D打印出现了。它是现代制造业中最具创新性和颠覆性的技术之一。但它到底是什么?这是一种技巧允许创建三维对象用细丝代替墨水，一次加一层。这意味着这些部件既不是用模压成型的，也不是用螺丝固定在一起的。更确切地说，所使用的材料，无论是塑料、陶瓷、金属、树脂，甚至是生物材料，都是在连续的层中沉积，直到创造出想要的物体。
尽管3D技术已经取得了长足的进步，但在短期内，我们离在世界各地的每个家庭都拥有一台3D打印机还差得远。然而，该技术在机器人，医学和航天科学，因为它允许创建独特和非常个性化的结构。房屋是用3D技术建造的印刷和有计划用这种技术制造整个社区。美国宇航局设计了几座房子，希望有一天能在火星上建造它们。好几件艺术品、家具和玩具都是用这种技术创作出来的。甚至还有用其他3D打印机制作的作品制作的3D打印机。
时间的因素
让我们回到4D打印。它的基础是数字化制造技术，没有这些，这是不可能的。但现在有一个新元素加入了这个等式:时间。有了这个新维度(即第四个D)，三维物体可以动态变换，无需任何人为干预。这是一个革命性的概念。
这项新的创新技术的先驱是美国建筑师、计算机科学家斯凯拉·蒂比茨(Skylar Tibbits)，他是The自组装实验室在麻省理工学院．2013年2月，他在加州的TED演讲中向全世界展示了这一技术，彻底改变了3D打印市场的进程。Tibbits首次推出了一款原型机，它在现有技术基础上增加了一些新东西，允许打印那些曾经存在的物体自组装随着时间的推移，它的形状发生了变化在自己的．
斯凯拉·蒂比特斯在研究这项新技术时首先考虑的事情之一就是它能否用于制造智能管道．用四维模型制造它们可以根据流经它们的水的体积改变它们的形状和大小。当出现泄漏时，它们也会自我修复，这意味着你不必经历更慢、更昂贵的挖出来和更换它们的过程。实验室也提出了更多的想法，其中一些被展示在了设计迈阿密在2017年。其中之一是液体印光蒂比茨解释说，这是一种硅橡胶结构，是按小比例印刷的围绕着一盏灯(即刺激)来创造一个更大的表面，减少时间和材料:
Ver esta publicación en Instagram
也有液体印刷袋，它是用同样的技术和材料制作的:
Ver esta publicación en Instagram
一切都在材料上
虽然四维技术的基础是过程本身，但它的巨大的潜力这要归功于制造这些物品所用的材料。记住，所有的3d打印件有一个共同点:一旦他们被打印，他们不能被改变。它们是被动的、僵硬的、最终的。Sánchez Somolinos说:“3D物体非常漂亮，但它们是无生命的，就像塑料、金属和陶瓷一样。”
当然，这一切都在改变。四维结构是由所谓的智能材料它们包含功能性或反应性元素，经过数学设计和编程，可以对特定的外部刺激做出反应，这意味着它们可以膨胀、收缩、折叠、移动、改变形状，甚至改变颜色。它们是可适应和动态对象的定义。巴斯蒂安·e·拉普是Neptunlab他总结道:“4D打印是3D打印的功能形式。不是只打印物理结构，现在可以打印函数了．这就像在材料中嵌入一段代码——一旦触发，它就会按照你设定的那样去做。”桑切斯Somolinos表示同意。“是的，在某种程度上，这就好像对象是活着”。
在4D的世界里有哪些材料可用?嗯，已经有不少了。一些人热敏的，而其他人则对诸如湿度、光线、电流和磁场．虽然还没有使用3D打印的那么多，但有三个突出的:
- 形状记忆聚合物(SMPs)可以记住一个宏观形状，并保持一段时间，并恢复到原来的形状，没有任何残余变形。电磁场和水浸泡也能产生这些变化。
- 高分子液晶弹性体(LCE)含有热敏液晶。通过控制它们的排列，可以对所需的形状进行编程:根据其温度，材料将根据编程代码放松和变形。你可以在下面AML的例子中看到它的作用:
- 水凝胶聚合物链主要由水组成。当它们接触到水或湿度时会发生反应最大可增加200%．由于其生物相容性，它们经常被用于医学。
木材呢?它也是一种智能材料吗?
实际上,它是。一些4D打印过程使用聚合物或水凝胶添加的木材基化合物。
木材衍生的纤维素纤维也被使用。哈佛大学的Wyss研究所在美国，由美国科学家和材料工程师詹妮弗·刘易斯(Jennifer Lewis)领导的一组研究人员正在使用接受性纤维素水凝胶制成的墨水来制造可编程的墨水受植物启发的建筑当浸入水中时，它的形状会发生变化，形成复杂的三维形态。这些纤维类似于使花朵改变形状的微结构。
观察和复制自然
这是这种新技术和智能材料的另一个关键方面:复制生物．4D打印灵感来源于植物生活。这就是所谓的仿生学,也就是说,使用自然作为一个模型，测量，并创建印刷作品的形状变化的建筑模仿植物的自然运动．Sánchez Somolinos指出，“树叶和木材有一系列的纤维，不是随意放置的。相反，在数百万年的进化过程中，它们已经被大自然完美而巧妙地定位了。我有一个小菜园，在下午，天气很热的时候，我所有植物的叶子都会向同一个方向收缩，如果浇水，它们会再次伸展。”想想向日葵和康沃尔锦葵，它们会搬到跟随太阳的轨迹尽管他们缺少一个中枢神经系统，但一整天都要面对黎明。
同样，材料科学家和传播者安娜Ploszajski解释了松果是如何一个例子自然智能材料．它们有两个方向相反的刚性纤维层，使圆锥体能够打开和关闭。当天气条件适合发芽时(即天气炎热干燥时)，松果就会打开并释放种子;它们被“编程”这样做。然而，当天气非常潮湿时，它们会保持封闭，以保护种子:
即将到来的是挑战和机遇
专家说未来是四维的。一些研究项目比其他项目走得更远，比如Sánchez Somolinos自己领导的欧洲PRIME项目。该公司获得了近300万欧元的融资，用于开发使用LCEs的下一代主动微流控设备。这些设备将能够管理少量的液体执行生化分析以一种简单而快速的方式。妊娠和COVID-19抗原快速检测是该技术最受欢迎的例子，但还有许多其他医疗、环境、食品和生物技术应用，以及一些在兽医实践和安全方面的应用。ALM团队还参与了另一个名为STORM-BOTS的全欧洲项目，该项目包括为软机器人设计智能材料，具有不同的潜在用途，如抓取、移动和移除。这将是非常有用的微创手术Sánchez Somolinos说，这种手术“不需要切开病人的任何组织，这样的互动方式就安全多了”。
然而，4D打印的大部分潜在应用仍然只是可能性。它们还需要在实验室外进行测试，并继续在研究开发的实验阶段．这是这项创新技术面临的最大挑战之一。Sánchez Somolinos说:“亚马逊上还没有制造和销售任何商品。”
我们都知道使用这种技术进行制造的好处:物体能够“记住”它们的形状;它们可以在打印后改变大小，这意味着更大的物体可以用更小的打印机打印;因为这种方法不会产生任何废物，而且使用的是天然回收材料，所以是可持续的。但是，为了让它在市场和大规模制造中找到一席之地(也就是说，让普通人都能接触到它)，它必须克服许多困难技术障碍．例如，它需要更多更便宜的打印机，可以打印多种材料，以及更多类型的智能材料，具有正确的属性，提供适当的解决方案，更便宜。关于发展的另一个问题是，我们是否能够做到这一点信任这些被打印的物体在长期内。
尽管如此，人们还是希望在未来几年内，4D打印将达到新的高度。这需要一段时间才能实现技术成熟度但我们已经知道，它的潜力是前所未有的，单是这个原因，它很可能会以我们甚至无法想象的方式构成我们日常生活的一部分。“我们刚刚开始获得更多的材料，这是我们需要的工具，并赋予它们形态和功能，但就现实应用而言，还有很长的路要走。未来是光明的，”Sánchez Somolinos说。
你觉得呢?在不久的将来，4D设计和3d打印结构会对我们的日常生活产生影响吗?请在社交媒体上使用#ConnectionsByFinsa与我们分享你的想法。
