4D打印技術(shù)在軍事,、生物,、建筑領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

4D打印技術(shù)與3D打印技術(shù)從字面相比較,，多了一個“D”,，多出的這個“D”是指時間緯度,，準(zhǔn)確地說是一種新型能夠自動變形的材料,，不需要借助于任何復(fù)雜的機電設(shè)備,，就能夠按照事先所設(shè)計的產(chǎn)品自動折疊成相應(yīng)的形狀,，并滿足性能要求。4D打印的關(guān)鍵是記憶合金,，4D打印由MIT（麻省理工學(xué)院）與Stratasys（斯特塔西有限公司）教育研發(fā)部門合作研發(fā)的一種能讓材料快速成型的革命性新技術(shù),。

3D打印技術(shù)是建模在先，打印產(chǎn)品在后,，而4D打印則是把產(chǎn)品設(shè)計嵌入可以變形的智能材料中,，無需人為干預(yù)，通過某些特定條件激活,，進行自我組裝,，得到產(chǎn)品。4D打印的創(chuàng)新點在于“變”,，它是一個動態(tài)的過程,，它不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物,，而且可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印,。4D打印技術(shù)是對3D技術(shù)的改進和完善，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天,，我們完全有理由相信,，在不遠(yuǎn)的將來，4D打印技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實際必將成為一種可能,，且存在巨大的應(yīng)用前景,。

1 4D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望
1.1 在武器裝備制造中的應(yīng)用及展望
傳統(tǒng)的武器裝備制造流程為：制造→部署→使用→報廢，而 4D的武器裝備制造流程為：半成品制造→部署→現(xiàn)場塑造→使用→回收→再部署,。4D打印生產(chǎn)的武器裝備可根據(jù)環(huán)境和攻擊目標(biāo)而優(yōu)化武器攻擊性能,，從而提高作戰(zhàn)效能。值得一提的是4D打印技術(shù)可使智能材料感知外光的變化,，自動實現(xiàn)與周圍環(huán)境融為一體,，從而改善偽裝效果。美國陸軍部已投入大量資金開發(fā)“自適應(yīng)偽裝作戰(zhàn)服”,。該作戰(zhàn)服的研究和開發(fā)如果成功,，則具有以下三個方面的典型特色：

（1）隱身功能，該服裝能在不同的環(huán)境下自由變換色彩,，實現(xiàn)士兵的自適應(yīng)隱身,；
（2）適穿功能，根據(jù)溫度的變化自動調(diào)節(jié)服裝厚度和透氣性,，實現(xiàn)士兵的自適應(yīng)舒適性,；
（3）防彈功能，根據(jù)所受外力自動調(diào)節(jié)軟服裝外圍硬度,，平時穿著柔軟如織,，遇子彈襲擊堅硬如鋼,，實現(xiàn)士兵的自適應(yīng)保護。


1.2 在大型軍用裝備構(gòu)件制造中的應(yīng)用及展望

大型軍用構(gòu)建制造的成本控制一直是個難題,，然而利用4D打印技術(shù)可以大為改善,，我們可以控制智能材料的關(guān)鍵部位或 敏感部位，把大型構(gòu)件設(shè)計成折疊狀,，然后利用3D打印機得到半成品,，通過特殊的參數(shù)刺激控制來實現(xiàn)大型軍用構(gòu)件的自動展開。例如將4D打印技術(shù)應(yīng)用于軍用人造衛(wèi)星,，通過該技術(shù)的自動展開和組裝功能快速成型帆板和天線等大型構(gòu)件,，將大大減少機械部件的數(shù)量和重量，降低發(fā)射軍用衛(wèi)星所需成本,。據(jù)有關(guān)報道,，美國利用3D打印技術(shù)制造軍工部件已獲成功,，但是仍需花費大量的人力資源才能把這些部件組裝成完整的軍事用品,。利用4D打印技術(shù)制造出的部件，則無需人工組裝,，它們會自動組裝成為一個成品,。試想戰(zhàn)機的各個部件若用4D打印技術(shù)制造，則何懼?jǐn)橙伺诨鸸���,，損壞的部件會快速被生長出的新部件所取代,，完好如初。試想將4D打印技術(shù)應(yīng)用于防御工事外部罩殼的制造,，受到炮火襲擊后如有“裂痕”,，則外部罩殼可以自行彌合裂痕，讓防御工事堅固如初,。

1.3 在微型軍用機器人制造中的應(yīng)用及展望
眾所周知,，微型機器人在未來戰(zhàn)場上執(zhí)行大量偵察和打擊任務(wù)，它的優(yōu)勢在于“微”,，但目前的微型機器人仍是由大量的齒輪,、軸承等機械部件組成，這些部件的存在限制了其體積,、重量和能耗進一步“微型化”,。4D打印技術(shù)將為微小型機器人的制造、運動與變形提供新的技術(shù)路線,，通過敏感材料的精確設(shè)計和控制有望取代齒輪等傳統(tǒng)機械部件,，實現(xiàn)微型軍用機器人的進一步微型和靈活運動，從而顯著減小機器人的體積,、重量和能耗需求,。

1.4 在軍事后勤保障中的應(yīng)用及展望
4D打印技術(shù)可將更多武器裝備制造成折疊狀態(tài),，方便遠(yuǎn)程機動。同時采用4D打印出的半成品將有更強的可塑造能力和環(huán)境適應(yīng)能力,，也有望減少裝備器材的種類和庫存數(shù)量,，提高后勤效率，發(fā)揮更強的作戰(zhàn)效能,。比如利用4D打印技術(shù)開發(fā)的萬能背包,，這個背包平時與普通背包無異，但在海水中可立即變成救生艇,，高空墜落時可變成降落傘,，夜晚宿營時可變成舒適帳篷。

2 4D打印技術(shù)在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望
2.1 在生物領(lǐng)域中的正面影響
4D打印技術(shù)制造出的智能結(jié)構(gòu),，可以發(fā)生由一維結(jié)構(gòu)或二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的變化,，或者由一種三維結(jié)構(gòu)變成另一種三維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的隨意變化也給4D打印技術(shù)的應(yīng)用帶來無窮的暢想,，而生物醫(yī)療領(lǐng)域最有可能成為該炫技的主秀場,。將4D打印的產(chǎn)品應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是普及至人體內(nèi)應(yīng)用,，無疑是人類健康醫(yī)療發(fā)展的福音,。伴隨著納米技術(shù)與數(shù)字化制造在第四維空間研發(fā)的深入，4D打印將可以進入非常微小的空間進行“工作”,。

麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)家丹雷維夫曾表示,，4D打印有利于新型醫(yī)療植入物的發(fā)明。比如心臟支架,，如果采用4D打印技術(shù)制造,，將不再需要給病人做開胸手術(shù)，可通過血液循環(huán)系統(tǒng)注射入攜帶設(shè)計方案的智能材料,，其到達心臟指定部位后自我組裝成支架,。除此之外，多自由度操作臂是微創(chuàng)技術(shù)未來發(fā)展的研究難點,。李滌塵表示,，他們正在自主研發(fā)智能材料，并通過4D打印技術(shù)應(yīng)用于多自由度操作臂的制造研究中,�,！拔磥硎中g(shù)操作臂可以通過食道、肛門等人的自然腔道進入人體,，并在體內(nèi)任意更改方向,。”

李滌塵稱,，電極施加電壓作用在智能材料上,，就可以實現(xiàn)操作臂的多自由度彎曲和轉(zhuǎn)向,，從而成為一種剛?cè)岵�濟的操作臂柔性控制方法�?D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是癌癥治療方面將會有進一步的應(yīng)用與發(fā)展,。牛津大學(xué)圣安東尼學(xué)院榮譽學(xué)者納伊夫·魯贊曾在美國《外交》雙月刊網(wǎng)站發(fā)文稱,，借助4D打印的原理，研究人員還能夠利用DNA鏈制造出對抗癌癥的納米機器人,。近期有外媒報道,，美國國防部撥付850萬美元資金，支持美國西北大學(xué)國際納米技術(shù)研究所進行4D打印機的研究與開發(fā),，該設(shè)備將能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度下的操作,，讓我們期待4D打印在醫(yī)藥領(lǐng)域的進一步發(fā)展。

2.2 在生物領(lǐng)域中的負(fù)面影響
人體內(nèi)的4D打印細(xì)胞或納米機器人,，如果監(jiān)控不到位的話,，很容易演變成被壞人利用的生物武器原型。而可編輯材料所具有的自變形特性,，讓其相較于3D打印而言,，被犯罪分子利用的風(fēng)險性也更大。比如針對搶支等違禁物品來說,，3D打印出來的直接是具體實物,，相對容易被發(fā)現(xiàn)和控制,；而4D打印物在打印之初,，有可能是任何形態(tài)，只有在一定的環(huán)境和介質(zhì)作用下,，才會“變形”為預(yù)先設(shè)定的真實面目,。可以說,，讓人防不勝防,。 研究人員借助4D打印的原理，利用DNA鏈造出了對抗癌 癥的納米機器人,。在這方面,，雙重用途同樣帶來切實的擔(dān)憂。由于能夠輕易獲得必要的工具,，一些人可以利用此類技術(shù)來制造新的生物武器,。另外，許多圍繞3D打印的擔(dān)憂還在繼續(xù)存在,，有些新技術(shù)成為犯罪分子利用的手段（已有人通過3D打印機制造出gun和手銬鑰匙）,。同時，4D打印技術(shù)的出現(xiàn),，制造商將有更多途徑來定制產(chǎn)品,，從而進一步縮短供應(yīng)鏈,，但這也將危及技術(shù)工種，并且產(chǎn)生產(chǎn)品問責(zé)的問題和知識產(chǎn)權(quán)問題也會越來越復(fù)雜,。

3 4D打印技術(shù)在工業(yè)建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望
蒂比茨和他的團隊介紹,，把4D打印技術(shù)應(yīng)用于城市管道建 設(shè)，將是一個了不起的建筑技術(shù)飛躍,，管道的自動調(diào)整,、自動組裝和自動修復(fù)功能可以降低管道鋪設(shè)的難度和成本，還可以輕松應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,，危險地區(qū)的工程將不再需要人的參與,。人們只需在電腦上完成管道規(guī)劃和技術(shù)嵌入，接下來的一切只需“打印”,。

4結(jié)語
當(dāng)然,，4D打印技術(shù)還有待成熟，還存在諸如智能材料缺少,， 打印機規(guī)模太小等問題,，但是3D打印技術(shù)從構(gòu)想到成熟只用了20年，所以我們有理由相信隨著科學(xué)技術(shù)的進步,，這些難點必將被攻克,，4D打印技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)將會成為一種可能，并且在未來的制造領(lǐng)域中定會大顯身手,。

編輯：南極熊
作者：趙峰,，李素麗，劉偉 （陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）
延伸閱讀：
從3D打印到4D打印——南極熊深度解析智能材料的增材制造技術(shù)