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.

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)…”。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型膠原基質中的真皮原代人成纖維細胞組成，覆蓋著由原代人角質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(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打印晶格結構，這樣，當暴露在磁場中時，結構就會變硬。當力被移除時，結構恢復到松弛狀態(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打印結構中。(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變?yōu)樘沾刹牧�。研究小組利用陶瓷前驅體的彈性，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物和基片的打印。然后拉伸基板，并添加用于連接前驅物的接頭。一旦基板從拉伸位置釋放，前驅體就被折疊成一個新的形狀。前驅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構，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