不管你信不信，4D 打印時代真的已經來了！

    伴隨著以數字化為核心的第三次工業革命浪潮的到來，3D 打印橫空出世， 被譽為數字化八大發明之一，是繼蒸汽機、電腦、互聯網后又一項偉大的創造。3D 打印是近年來最受矚目的材料科技之一，手槍、人體腎臟器官、嬰兒模型，甚至是“美女”都成了3D 打印的對象。然而，3D 打印方興未艾，4D 打印時代已經悄然來臨。

    眾所周知，3D 打印要預先建模、掃描，然后用相應的材料按照之前的計劃復制出來。4D 打印則是直接將程序輸入材料當中，物體被打印出來后，可以自主變形、重塑，而且不需要任何復雜的機電設備。

    所謂的4D 打印， 實際上是把一種能夠自動變形的材料放入水中， 它就能按照產品的設計自動折疊成相應的形狀。這項技術來自供職于麻省理工學院的建筑師、設計師和計算機科學家斯凱勒·蒂比茨（Skylar Tibbits）。在麻省理工學院的自我組裝實驗室，蒂比茨有一個750 L 的大魚缸，足以養活一頭鯊魚。他發明的4D 打印機目前還只能在水里工作。而這項技術的核心概念則是自我組裝， 就是能夠創造出一個在打印出來后能夠自動適應環境來變化形狀、自我調整的物體。

    相關資料顯示，這項所謂的4D 打印技術，更準確地說依賴一種能夠自動變形的材料———記憶合金， 而這種自動變形的材料是4D 打印須臾不可離開的東西。當下受到熱捧的4D 打印概念，其主線就是記憶合金。

    什么是記憶合金？ 記憶合金是一種原子排列很有規則、體積變為小于0.5%的馬氏體相變合金。這種合金在外力作用下會產生變形，當把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復原來的形狀。

    這是怎么回事？ 難道合金也具有人類那樣的記憶力？ 當然，它不可能像人類大腦思維記憶，這只是利用某些合金在固態時其晶體結構隨溫度發生變化的特點而已。例如，鎳鈦合金在40℃以上和40℃以下的晶體結構是不同的， 但溫度在40℃上下變化時，合金就會收縮或膨脹，使得它的形態發生變化。

    這里，40℃就是鎳鈦記憶合金的變態溫度。一根螺旋狀高溫合金，經過高溫退火后，它的形狀處于螺旋狀態。在室溫下，即便用很大力氣把它強行拉直，但只要把這根鎳鈦記憶合金絲加熱到一定的變態溫度時，這根合金仿佛記起了什么似的，立即恢復到它原來的螺旋形態。

    各種合金都有自己的變態溫度。所謂的記憶合金，更準確地說應該稱之為“記憶形狀的合金”，由于它具有百萬次以上的恢復功能，因此叫做記憶合金。

    在一次新材料的研討會上， 一位教授手持一個盛有水的玻璃瓶， 上面插有一只漂亮的用紙做的蝴蝶。他走上講臺一言未發，從容地掏出打火機把瓶子加熱。不一會兒，只見蝴蝶的翅膀飛舞起來。原來，在蝴蝶下面有一根所謂“形狀記憶”合金絲，這根絲隨著水溫的升高和降低會突然伸長或縮短。

    此外，記憶合金還具有無磁性、耐磨耐蝕、無毒性的優點，應用十分廣泛。除了鎳鈦合金，科學家們現在已發現了幾十種不同記憶功能的合金， 比如金鎘合金、銅鋅合金等，有些已在某些領域獲得實際應用。例如，通常的鉚接必須從一邊插入鉚釘，在另一邊用氣錘將鉚釘的頭錘扁。但是，遇到封閉的容器或開口狹窄的容器，你根本無法深入到容器里去作業，這時可用記憶合金事前做成兩頭都是扁的鉚釘，在低溫下把一端的扁頭硬壓成插孔大小的圓柱狀。鉚接時，只要從低溫箱中將鉚釘取出，迅速插入被鉚容器的插孔內，再把鉚釘加熱到變態溫度以上，原先被壓圓的一端便自動回復成扁形， 這樣就把容器牢固地鉚緊了。

    事實上， 形狀記憶合金早已應用于工業中。比如，用形狀記憶合金制作月面天線。月面天線伸展開來很寬大，火箭無法容納，而有了形狀記憶合金，則可以不費吹灰之力解決這一問題。研究人員用Ni-Ti 合金絲在馬氏體相變溫度以上先做成月面天線，然后在低于該溫度時把月面天線壓成小團裝入運載火箭，當發射至月球表面后，通過太陽能加熱而恢復原形。

    由于記憶合金有著百萬次以上的恢復能力，所以很多人叫它“有生命的合金”。正是因為記憶合金是一種“有生命的合金”，利用它在一定溫度下形狀的變化，就可以設計出形形色色的自控器件，它的用途正在不斷擴大。

    目前， 記憶合金已運用于管道結合和自動化控制方面，用記憶合金制成套管可以代替焊接，方法是在低溫時將管端內徑擴大約4%，裝配時套接一起，一經加熱，套管收縮恢復原形，形成緊密的接合。美國海軍飛機的液壓系統使用了10 萬個這種接頭，多年來從未發生漏油和破損。船艦和海底油田管道損壞，用記憶合金配件修復起來十分方便。在一些施工不便的部位，用記憶合金制成銷釘，裝入孔內加熱，其尾端自動分開卷曲，形成單面裝配件。

    記憶合金在航空航天領域內的應用有很多成功的范例。人造衛星上龐大的天線可以用記憶合金制作。發射人造衛星之前，將拋物面天線折疊起來裝進衛星體內，火箭升空把人造衛星送到預定軌道后，只需加溫，折疊的衛星天線因具有“記憶”功能而自然展開，恢復拋物面形狀。

    記憶合金特別適合于熱機械和恒溫自動控制，已制成室溫自動開閉臂，能在陽光照耀的白天打開通風窗，晚間室溫下降時自動關閉。記憶合金熱機的設計方案也不少，它們都能在具有低溫差的兩種介質間工作，從而為利用工業冷卻水、核反應堆余熱、海洋溫差和太陽能開辟了新途徑。現在普遍存在的問題是效率不高，只有4％～6％，有待于進一步改進。

    2016 年5 月，數千名來自澳大利亞皇家外科醫學院和英國皇家外科醫學院的醫生們聚集到布里斯班會展中心，參加每年一次的科學年會。年會上，一場討論會引起了人們的關注， 該討論會研究的是一個案例， 即有一群醫生將動態4D 打印技術用于手外科的手術前規劃。

    負責這項研究的是Michael Chae 醫生，他是一位整形外科住院醫生， 同時也是墨爾本莫納什大學（Monash University）的在讀博士生。Michael Chae介紹了他們的研究團隊是如何將時間維度加入到觸覺模型上以幫助提供關于手部骨頭運動的改進解剖學信息。研究團隊使用4D 計算斷層掃描（CT）技術掃描患者手部的骨頭， 幫助塑造他們手部在進行諸如拇指外展、對掌和側捏等動作時的準確展現模型。

    從根本上說，Chae 醫生的研究團隊所謂的4D 打印，實際上是在3D 打印的外科模型上加入了時間的維度，以幫助展示拇指運動時掌骨位置的變化。因此，這些4D 打印模型能夠提供患者的解剖結構更為動態的信息， 以幫助外科醫生在進行手術前獲得準確而詳細的信息。

    將記憶合金用于4D 打印，有人認為，不但能夠創造出有智慧、有適應能力的新事物，還可以徹底改變傳統的工業打印甚至建筑行業， 而與之前3D打印概念相比，顯然將具備更大的發展前景。

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責任編輯：王元

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