4D打印正在成為現(xiàn)實,，可能在這幾個領域率先應用

來源:3D打印商情

如果你沉浸在科技新聞中,，每隔一段時間你就會看到一個關于4D打印的新故事。這個概念本身并不難理解,。如果3D打印是一個物體的逐層制造,，那么4D打印就增加了第四維：時間。4D打印的物體一旦產(chǎn)生,，就會對它的環(huán)境產(chǎn)生反應,，并隨著時間的推移而變化。這樣,，四維打印的物體就是一種可編程的物質(zhì).

更難對付的是這種新興技術的實際應用,。4D打印有什么好處？為了回答這個問題,，我們將探索4D打印的許多應用,，從醫(yī)學研究到時尚，著眼于這一獨特的迷人技術的未來,。

生物清洗
也許最先進的“4D打印”是生物清洗,，因為一旦干細胞被打印出來，它們就被培養(yǎng)到成熟,，也就是說,，隨著時間的推移而轉(zhuǎn)變。鑒于現(xiàn)在有許多生物清洗公司,，可以說這是4D打印產(chǎn)生最大影響的地方,。

Poietis的4D打印皮膚可用于醫(yī)學和美容研究。(圖片由Poietis提供)

目前唯一家將其流程稱為4D打印形式的公司是一家名為Poietis的法國公司,。該公司使用這一術語是因為它聲稱一旦打印,，“組織組成組織(細胞和細胞外基質(zhì))…”。以有控制的方式進化,，直到特定的生物功能出現(xiàn),。“

控制成熟過程的能力部分是通過使用定制的CAD工具來實現(xiàn)的,。該工具允許精確放置每一個微小的有機物液滴,，使其能夠以基于細胞生長動態(tài)的可預測的方式生長。在硬件方面,，生物打印機使用激光將生物墨水噴射到適當?shù)奈恢�,，這是在CAD工具中設計的。這與目前市面上提供的任何其他生物租賃機不同,。

總之,，這個過程能夠以每秒10，000滴的速度達到20m分辨率,，從而使細胞濃度達到1億細胞/mL,，而且,，該公司聲稱100%的細胞活力。

到目前為止,，這已經(jīng)允許Poietis開發(fā)Poieskin,，由人體全厚度皮膚模型構(gòu)成的活組織皮膚，完全由三維生物沖洗產(chǎn)生,。Poieskin由Ⅰ型膠原基質(zhì)中的真皮原代人成纖維細胞組成,，覆蓋著由原代人角質(zhì)形成細胞演化而來的分層表皮。為了創(chuàng)造這一點,，成纖維細胞和膠原蛋白首先以這樣的方式打印,，即細胞之間的距離、膠原層和每個液滴的細胞數(shù)量都是優(yōu)化的,。一旦真皮成熟,，角質(zhì)形成細胞就會在皮膚暴露于空氣中形成表皮分層之前被印在其表面。

Poieskin可用于藥理學和化妝品研究,。就前者而言,，這意味著在測試了一種藥物對人體皮膚等效物的影響之后，使藥物更快地進入市場,。在后一種情況下,，這意味著需要在動物身上測試護膚品和美容產(chǎn)品。

超材料
4D打印物體的經(jīng)典圖像與超材料有關,，即根據(jù)環(huán)境或應用情況改變其形狀或其他物理特性的材料,。勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)和類似的政府研究實驗室一直是這一領域的關鍵，因為他們希望為軍隊制造先進的裝甲,。

最近,，LLNL發(fā)明了“磁場響應機械超材料”，當被磁場擊中時會變硬,。雖然物質(zhì)(充滿鐵磁粒子)本身是不可打印的,，但它可以被注入空心的3D打印晶格結(jié)構(gòu)，這樣,，當暴露在磁場中時,，結(jié)構(gòu)就會變硬,。當力被移除時,，結(jié)構(gòu)恢復到松弛狀態(tài)。通過改變磁力的功率,，你可以改變物體的剛度,。

鐵磁性納米粒子在暴露于電磁波之前被注入到3D打印結(jié)構(gòu)中。(圖片由朱勒·曼奇尼·LNL提供)

這一過程可能被用于制造頭盔,、頸撐,、光學或軟機器人,。研究人員甚至認為，它可以被納入汽車座椅,，這樣,，當傳感器發(fā)現(xiàn)碰撞時，座椅可能會變硬,，以防止鞭打,。

其他通過4D打印實現(xiàn)的超材料實例包括羅格斯大學(Rutgers University)研究人員的智能凝膠-新不倫瑞克大學(Rutgers University&New Brunswick)的研究人員，在那里,，該團隊能夠使用微立體光刻技術和一種獨特的光致聚合物來創(chuàng)建一個能夠根據(jù)環(huán)境溫度改變形狀的3D物體,。在32℃以上的溫度下，水凝膠會排出水分并收縮,。在這個溫度以下,，物質(zhì)吸收水并膨脹。這種材料的可能性從軟機器人和柔性執(zhí)行器到生物醫(yī)學設備,。

不同的溫度會使這個充滿水的物體改變形狀,。(圖片由羅格斯大學提供)

同樣，香港城市大學(CityU)的研究人員也將形狀轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾刹牧�,。研究小組利用陶瓷前驅(qū)體的彈性,，制造出一種陶瓷-聚合物混合物，一旦從彈性狀態(tài)打印并釋放出來,，就會變形成預先定義的形狀,。

視頻顯示了陶瓷前驅(qū)物和基片的打印。然后拉伸基板,，并添加用于連接前驅(qū)物的接頭,。一旦基板從拉伸位置釋放，前驅(qū)體就被折疊成一個新的形狀,。前驅(qū)體也可以直接打印在基板上,，以產(chǎn)生同樣的效果。當物體在窯中燃燒時,，新的形狀將無限期地保留下來,。具有很大潛力的一個應用領域是打印用于航空航天工業(yè)的電子元器件和推進部件的能力。

通過拉伸和釋放這些陶瓷物體,，它們可以折疊成一個程序化的形狀,。(圖片由城市大學提供)

自組裝
與超材料概念密切相關的是自組裝對象。這個領域的研究人員,，就像麻省理工學院自組裝實驗室有時將依賴于多材料3D打印機,，如來自Stratasys的PolyJet系統(tǒng)，用對環(huán)境反應不同的材料制造物體，以獲得特定的結(jié)果,。

以蘇黎世ETH的一個團隊為例,，一臺Stratasys Objet 3 Conext 5打印機被用來制造由形狀記憶聚合物、耐高溫硬質(zhì)聚合物和類似彈性體的聚合物制成的物體,。這些物體被打印成平面的二維結(jié)構(gòu),，當放置在溫暖的水中時，這些物體被展開成承載載荷的三維形狀,，特別是隨著熱量的增加,，特別是激活形狀的變化。

4D打印服裝
雖然大多數(shù)的4D打印發(fā)生在實驗室,，設計工作室的神經(jīng)系統(tǒng)已經(jīng)成為著名的生產(chǎn)幾個4D打印的裙子,，其中一個被現(xiàn)代藝術博物館(MoMA)收購。這些連衣裙符合4D打印物品的定義,，因為它們是由連接的瓷磚混合而成的,，當從打印機取出時，這些瓷磚會展開成完全可穿戴的衣服,。這樣就可以創(chuàng)建比移除打印機生成平臺更大的對象,。

來源:3D打印商情