4D打印正在成为现实，可能在这几个领域率先应用

来源:3D打印商情

如果你沉浸在科技新闻中，每隔一段时间你就会看到一个关于4D打印的新故事。这个概念本身并不难理解。如果3D打印是一个物体的逐层制造，那么4D打印就增加了第四维：时间。4D打印的物体一旦产生，就会对它的环境产生反应，并随着时间的推移而变化。这样，四维打印的物体就是一种可编程的物质.

更难对付的是这种新兴技术的实际应用。4D打印有什么好处？为了回答这个问题，我们将探索4D打印的许多应用，从医学研究到时尚，着眼于这一独特的迷人技术的未来。

生物清洗
也许最先进的“4D打印”是生物清洗，因为一旦干细胞被打印出来，它们就被培养到成熟，也就是说，随着时间的推移而转变。鉴于现在有许多生物清洗公司，可以说这是4D打印产生最大影响的地方。

Poietis的4D打印皮肤可用于医学和美容研究。(图片由Poietis提供)

目前唯一家将其流程称为4D打印形式的公司是一家名为Poietis的法国公司。该公司使用这一术语是因为它声称一旦打印，“组织组成组织(细胞和细胞外基质)…”。以有控制的方式进化，直到特定的生物功能出现。“

控制成熟过程的能力部分是通过使用定制的CAD工具来实现的。该工具允许精确放置每一个微小的有机物液滴，使其能够以基于细胞生长动态的可预测的方式生长。在硬件方面，生物打印机使用激光将生物墨水喷射到适当的位置，这是在CAD工具中设计的。这与目前市面上提供的任何其他生物租赁机不同。

总之，这个过程能够以每秒10，000滴的速度达到20m分辨率，从而使细胞浓度达到1亿细胞/mL，而且，该公司声称100%的细胞活力。

到目前为止，这已经允许Poietis开发Poieskin，由人体全厚度皮肤模型构成的活组织皮肤，完全由三维生物冲洗产生。Poieskin由Ⅰ型胶原基质中的真皮原代人成纤维细胞组成，覆盖着由原代人角质形成细胞演化而来的分层表皮。为了创造这一点，成纤维细胞和胶原蛋白首先以这样的方式打印，即细胞之间的距离、胶原层和每个液滴的细胞数量都是优化的。一旦真皮成熟，角质形成细胞就会在皮肤暴露于空气中形成表皮分层之前被印在其表面。

Poieskin可用于药理学和化妆品研究。就前者而言，这意味着在测试了一种药物对人体皮肤等效物的影响之后，使药物更快地进入市场。在后一种情况下，这意味着需要在动物身上测试护肤品和美容产品。

超材料
4D打印物体的经典图像与超材料有关，即根据环境或应用情况改变其形状或其他物理特性的材料。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)和类似的政府研究实验室一直是这一领域的关键，因为他们希望为军队制造先进的装甲。

最近，LLNL发明了“磁场响应机械超材料”，当被磁场击中时会变硬。虽然物质(充满铁磁粒子)本身是不可打印的，但它可以被注入空心的3D打印晶格结构，这样，当暴露在磁场中时，结构就会变硬。当力被移除时，结构恢复到松弛状态。通过改变磁力的功率，你可以改变物体的刚度。

铁磁性纳米粒子在暴露于电磁波之前被注入到3D打印结构中。(图片由朱勒·曼奇尼·LNL提供)

这一过程可能被用于制造头盔、颈撑、光学或软机器人。研究人员甚至认为，它可以被纳入汽车座椅，这样，当传感器发现碰撞时，座椅可能会变硬，以防止鞭打。

其他通过4D打印实现的超材料实例包括罗格斯大学(Rutgers University)研究人员的智能凝胶-新不伦瑞克大学(Rutgers University&New Brunswick)的研究人员，在那里，该团队能够使用微立体光刻技术和一种独特的光致聚合物来创建一个能够根据环境温度改变形状的3D物体。在32℃以上的温度下，水凝胶会排出水分并收缩。在这个温度以下，物质吸收水并膨胀。这种材料的可能性从软机器人和柔性执行器到生物医学设备。

不同的温度会使这个充满水的物体改变形状。(图片由罗格斯大学提供)

同样，香港城市大学(CityU)的研究人员也将形状转变为陶瓷材料。研究小组利用陶瓷前驱体的弹性，制造出一种陶瓷-聚合物混合物，一旦从弹性状态打印并释放出来，就会变形成预先定义的形状。

视频显示了陶瓷前驱物和基片的打印。然后拉伸基板，并添加用于连接前驱物的接头。一旦基板从拉伸位置释放，前驱体就被折叠成一个新的形状。前驱体也可以直接打印在基板上，以产生同样的效果。当物体在窑中燃烧时，新的形状将无限期地保留下来。具有很大潜力的一个应用领域是打印用于航空航天工业的电子元器件和推进部件的能力。

通过拉伸和释放这些陶瓷物体，它们可以折叠成一个程序化的形状。(图片由城市大学提供)

自组装
与超材料概念密切相关的是自组装对象。这个领域的研究人员，就像麻省理工学院自组装实验室有时将依赖于多材料3D打印机，如来自Stratasys的PolyJet系统，用对环境反应不同的材料制造物体，以获得特定的结果。

以苏黎世ETH的一个团队为例，一台Stratasys Objet 3 Conext 5打印机被用来制造由形状记忆聚合物、耐高温硬质聚合物和类似弹性体的聚合物制成的物体。这些物体被打印成平面的二维结构，当放置在温暖的水中时，这些物体被展开成承载载荷的三维形状，特别是随着热量的增加，特别是激活形状的变化。

4D打印服装
虽然大多数的4D打印发生在实验室，设计工作室的神经系统已经成为著名的生产几个4D打印的裙子，其中一个被现代艺术博物馆(MoMA)收购。这些连衣裙符合4D打印物品的定义，因为它们是由连接的瓷砖混合而成的，当从打印机取出时，这些瓷砖会展开成完全可穿戴的衣服。这样就可以创建比移除打印机生成平台更大的对象。

来源:3D打印商情