4D，一片全新的天地
2017-4-6 來源：數控機床市場 作者：吳玖
開篇之前，請諸位同筆者一起，將手放在胸膛，感受那里澎湃的力量——是生命的源泉。
每一個生命體，都是大自然的杰作。內在的基因，加上外在的環境，在刺激與應激的循環里，造就了如今的我們。未來，我們將一直處于變化之中。而這種變化，恰是處于時間的維度之上的。
2013年2月26日，在美國加州長灘舉行的TED2013大會上，麻省理工學院（MIT）建筑部講師斯凱拉•蒂比茨（SkylarTibbits）將一種新穎的材料組合用于3D打印機，制造出了一種線狀物體，該物體被放入水中時，能改變形狀組成字母“MIT”。通過這一實驗，提出了4D打印的概念。而后，2014年10月8日，美國《外交》雙月刊發表了一篇名為《準備迎接4D打印革命》的文章，讓4D打印技術概念風靡全球。
而所謂的4D打印，相比目前方興未艾的3D打印技術多了一個時間維度，通過軟件設定模型和時間，變形材料會在設定的時間內變形為所需的形狀。
4D 打印直接將設計內置到物料當中，簡化了從“設計理念”到“實物”的造物過程。讓物體如機器般“自動”創造，不需要連接任何復雜的機電設備，能夠創造出有智慧、有適應能力的新事物。
聽上去是不是很熟悉？
從這種意義上來講，我們每個人都是大自然進行4D打印的產物。未來，制造出與人類完全相同的機器人是極為有可能的。
至于4D打印的流程大致上是這樣的：
第一步是對材料進行編程，預設其對某些刺激因素所做出的反應。
第二步是把這樣的材料用3D打印機打印出來。
通俗上說，多了一個維度，就相當于為目標產品內嵌了一個自我激活的3D打印機，可以根據外部刺激進行實時的調整與再創造。
4D打印的發展前景是誘人的。
這項技術的始作俑者美國馬薩諸塞州技術研究實驗室總監Skylar Tibbits表示，4D打印可以生產智能產品，它可以自動適應外部變化，進行自我修復。
比如說，管道可以設計成能夠根據水流量進行膨脹或收縮的，或者在破裂時自我修復。此外，我們可以通過4D打印液態的支架，然后通過血液循環系統，將其注射入攜帶設計方案的智能材料，等其到達心臟指定部位后，再通過自我組裝成心臟支架。還有在軍事上，美陸軍首席技術官格雷絲·博赫內克有一個設想，防彈衣未來可能會采用4D打印技術。科學家未來可能開發出輕薄小巧的防彈衣，便于儲存和攜帶，但也可以伸展開并提供全面的防護。用4D打印制造的目標產品的自適應或自修復技術也能在災難救援或太空環境等惡劣環境中派上用場。甚至當此項技術在全社會范圍內普及開來的時候，每個人都可以是設計者與制造者。到時，我們的自主性會大大提高。
具體到機床行業，當前看來，大到一部機床的操作臺，小到擰緊連接部位的螺絲釘，無不受著加工過程中的各種因素的影響（負載，溫度等等），我們要進行調整，唯有裝上許多與之配套的數控系統，這樣無疑會增加一部機床的造價，從而增加加工生產成本。可如果這些機床部件是通過4D打印的呢？那么它們便可以隨時應激，隨時反應，使我們的機床總是處于一種最佳加工狀態。
我們甚至可以進一步的暢想，如果整部機床都是有4D打印技術（當然是在克服了剛度，強度等等一系列難題的情況下。）打印出來的呢？這樣一來，機床成為了一個完整的整體，因各部件連接所造成的的不良影響也可以消除。到那時，我們的機床才能實現真正的自動化和智能化。
目前，工業4.0，智慧制造，人工智能等等口號鋪天蓋地，而要真正的進入智能化的時代，筆者敢斷言，4D打印（或與之類似的技術）是繞不開的。
唯有在無人踩踏的路上才能留下腳印，面對著4D這樣一個全新的領域，對于處在飛速發展階段的我們，難道不是一次彎道超車的難得機遇嗎？
那么，發展的關鍵發力點在哪里呢？
要分析這個問題，必須要做的是明確當前4D打印技術的發展瓶頸在哪里。
結合之前筆者提到的4D打印的過程，其限制因素也就蘊含其中。
第一，是打印材料的選取
4D打印的材料應當具備可編程模擬特性，照Tibbits的話說就是：讓物體如機器般自動制造，而不是先設定好物體然后再制造。還有就是變形后的穩定性，也就是應激變形后如何維持這種形狀以及與之伴隨的性能。
第二，是尋找合適的方法來控制刺激因素
當前實驗的4D打印技術所使用的材料只能夠對水做出應激反應。這恰恰是一個亟待克服的難題。因為，4D打印成品一旦應用到實際之中，刺激因素的來源將有很多，光，電，力，熱，磁等等等等。如何對這些因素進行精準的反應，以及預設變形，是編程技術上的難題。
以上兩點事4D概念上的難題，既然其是建立在3D打印的基礎上的，這就自然而然的引出了最后的限制因素——就是3D打印技術本身現存的限制因素了。
目前進行3D打印的材料和時間成本的消耗，還有就是針對于動態物體的打印的機器限制。筆者在大學進行課程設計期間，僅僅是簡單一個車架模型的打印（尺寸很小），就要耗費普通人難以承受的時間金錢成本。如何使3D打印技術日臻成熟，是我們現階段首要解決的問題。應當與4D打印概念的完善同時甚至要優先進行，切不可舍本逐末，好高騖遠。
提出了問題，就是為了解決問題。未來總是光明的。
腳踏實地，才能仰望星空，做好當前的科學研發工作，努力自主攻堅克難，期待著我國相關從業者有朝一日可以在如此前沿的領域綻放光彩。
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