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4D，一（yī）片全新的天地

2017-4-6 來（lái）源：數控機床市場作者：吳玖（jiǔ）

開篇之前，請諸位同筆者（zhě）一起，將手放在胸膛，感（gǎn）受那裏澎（péng）湃的力量——是生命的源泉。

每一個生命體（tǐ），都是大自然的傑（jié）作（zuò）。內在的（de）基因，加上外在的（de）環境，在刺激與應激的循環裏，造就了如今的我們。未來，我們將一直處於變化之中。而（ér）這種變化，恰（qià）是處於時間的維度之上的。

2013年2月（yuè）26日，在美（měi）國加州長灘舉行的TED2013大會上，麻省理工學院（MIT）建築部講師斯凱拉•蒂比茨（SkylarTibbits）將一種新穎的材料組（zǔ）合（hé）用於3D打印機，製造出了一種（zhǒng）線狀物體，該物體被放入水（shuǐ）中時，能改變形（xíng）狀組成字母“MIT”。通過這（zhè）一實驗，提出了4D打印（yìn）的概念。而（ér）後，2014年10月8日，美國《外交》雙月刊發（fā）表了一篇名為《準備迎接4D打印（yìn）革命（mìng）》的文章，讓（ràng）4D打（dǎ）印（yìn）技術概念風靡全球。

而（ér）所謂（wèi）的4D打（dǎ）印，相比目前方興（xìng）未艾的（de）3D打印技術多了（le）一個時間維（wéi）度，通過軟（ruǎn）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 打印直接將設計內置到物料當中，簡化了從“設計（jì）理念”到“實物”的造物過程。讓物體如機（jī）器般（bān）“自動”創造，不需要連接任何複雜的機電設備，能夠創造出有智（zhì）慧、有適應能力的新事物。

聽上去是不（bú）是很熟（shú）悉？

從這（zhè）種（zhǒng）意義上來講，我們每個（gè）人都是大自然進行4D打（dǎ）印的產物。未來，製造出與人（rén）類完全相同的機（jī）器人是極為（wéi）有可能的。

至（zhì）於4D打印的流程大（dà）致上是這樣的（de）：

第一步是對材料進行編程，預設（shè）其對某些刺激因素所做出的反應。

第二（èr）步是把這樣的材料用3D打印機打印出來。

通俗上說，多了一個（gè）維度，就（jiù）相當於為目（mù）標產品內嵌了一個自我激（jī）活的3D打印機，可以根（gēn）據外部（bù）刺激（jī）進行實時的調整與再創造。

4D打印的發展前（qián）景是誘人的。

這項技術的始作俑者美國馬薩諸塞州技術研究實（shí）驗室總監Skylar Tibbits表示，4D打印可以生產智能產品，它可以自動適應外部變化，進行自我修複。

比如說，管（guǎn）道可以設計成能夠根據水流量進行膨脹（zhàng）或收縮的，或者在破裂時自我修（xiū）複。此外，我們可以通過4D打印液（yè）態（tài）的支架，然（rán）後通過血液循（xún）環係（xì）統，將其注射入攜帶設計方案的智能材（cái）料，等其到達心髒指定部位後，再通過自我（wǒ）組裝成心髒支架。還有（yǒu）在軍事上，美陸軍首席技（jì）術官格雷絲·博赫內克（kè）有一個（gè）設想，防彈衣未來可能會采用4D打印（yìn）技術。科（kē）學家未來可能開發（fā）出輕薄小巧的防彈衣，便於儲存和攜帶，但也可以伸展開並提供全麵（miàn）的防護（hù）。用4D打（dǎ）印製造的（de）目標產品的（de）自（zì）適應或自修複技術也能在災難救援或太空環境等惡（è）劣環境中派（pài）上用（yòng）場。甚至當此項技術在全社會範圍內普及開來（lái）的時候，每個人都可以是（shì）設計者與製（zhì）造者。到時，我們的（de）自主性會大大提（tí）高。

具體到機床行業，當前看來，大到一部機床的操作台（tái），小到擰緊（jǐn）連接部位的螺絲釘，無不受著（zhe）加工過程中的各種因素的影響（負（fù）載，溫度等等（děng）），我們要進行調整，唯有裝上許多與之配（pèi）套的數控係統，這樣（yàng）無疑會增加一部機床的造（zào）價，從而增加加工生（shēng）產成本。可如（rú）果這些機床部件是（shì）通過4D打印的呢？那麽它們便可以隨時應激，隨時反應，使我們（men）的機床總是處於一種最佳加工狀態。

我們甚至可以進一（yī）步的暢（chàng）想，如（rú）果整部機床都是有4D打印（yìn）技術（當然是在克服了剛度，強度等等一係列難題的情況下。）打印出來的呢？這樣一來，機床成為（wéi）了一個完整的整體，因各部（bù）件連（lián）接所造成的的不良影響也可（kě）以消（xiāo）除。到那時（shí），我們的機床才能實現真正（zhèng）的自動化（huà）和智能（néng）化。

目（mù）前，工業4.0，智慧製造，人工智能等等口號鋪天蓋（gài）地，而要（yào）真正的進入智能化（huà）的時代，筆者敢斷言，4D打印（或（huò）與之類似的技術）是繞不開的。

唯有在無人踩踏的路上才能留下腳印，麵對著4D這樣一個（gè）全新（xīn）的領域，對於處在飛速發展階（jiē）段的我們，難道不是一（yī）次彎道超車的難得機遇嗎？

那麽，發（fā）展的關鍵發力點在哪裏呢？

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

結合之（zhī）前筆者提到的4D打印的（de）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（dǎ）印的材料應當具備可編程模擬特性，照Tibbits的話（huà）說（shuō）就（jiù）是：讓物體如機器般自動製造，而不（bú）是先設定好物體然後再製造。還有就是變形後的穩（wěn）定性，也就是應激（jī）變形後如何（hé）維持這種形狀以及與之伴隨（suí）的性能。

第二，是尋找合適的方法來控製（zhì）刺激（jī）因素

當前實驗的4D打印技術所使用的材料隻能夠（gòu）對水做出應激反應。這恰（qià）恰（qià）是一個亟待克服的難題。因為，4D打印成品一旦應用到實際之（zhī）中，刺激因素的來源將有很多（duō），光，電（diàn），力，熱，磁（cí）等等等等。如何（hé）對這些因素進行精準的反應，以及（jí）預設變形（xíng），是編程技術上（shàng）的難（nán）題。

以上（shàng）兩點事4D概念（niàn）上的難題，既（jì）然其是建立在3D打印的基礎上的（de），這就自然而然的引出（chū）了最後的限製因素——就是3D打印技（jì）術本身現存的限製因素了。

目前進行3D打印的材料和時間成本（běn）的消耗（hào），還有就是針對於動態物體的打印的機器限製。筆者在大學進行（háng）課程（chéng）設計期間（jiān），僅僅是簡（jiǎn）單（dān）一個車架模型的打印（尺寸很小），就要耗（hào）費普通人難以承受的時間金錢（qián）成本。如何使3D打印技（jì）術日臻成熟，是我們（men）現階段（duàn）首（shǒu）要解決的問（wèn）題。應當與4D打印概念（niàn）的完善同時甚至要優先（xiān）進（jìn）行，切不可舍本逐末，好高騖遠。

提出了問題，就是為（wéi）了解決問題。未來總是光明的。

腳踏實地，才能仰（yǎng）望星空，做（zuò）好當前的科學研發工（gōng）作，努力自主攻堅克難，期待著我國相關從業者有朝一日可以在如此前沿的領域綻放（fàng）光彩（cǎi）。

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