4D打印技術在軍事、生物、建筑領域的應用及展望

4D打印技術與3D打印技術從字面相比較，多了一個“D”，多出的這個“D”是指時間緯度，準確地說是一種新型能夠自動變形的材料，不需要借助于任何復雜的機電設備，就能夠按照事先所設計的產品自動折疊成相應的形狀，并滿足性能要求。4D打印的關鍵是記憶合金，4D打印由MIT（麻省理工學院）與Stratasys（斯特塔西有限公司）教育研發(fā)部門合作研發(fā)的一種能讓材料快速成型的革命性新技術。

3D打印技術是建模在先，打印產品在后，而4D打印則是把產品設計嵌入可以變形的智能材料中，無需人為干預，通過某些特定條件激活，進行自我組裝，得到產品。4D打印的創(chuàng)新點在于“變”，它是一個動態(tài)的過程，它不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應能力的新事物，而且可以徹底改變傳統的工業(yè)打印。4D打印技術是對3D技術的改進和完善，在科學技術高速發(fā)展的今天，我們完全有理由相信，在不遠的將來，4D打印技術應用于生產實際必將成為一種可能，且存在巨大的應用前景。

1 4D打印技術在軍事領域中的應用及展望
1.1 在武器裝備制造中的應用及展望
傳統的武器裝備制造流程為：制造→部署→使用→報廢，而 4D的武器裝備制造流程為：半成品制造→部署→現場塑造→使用→回收→再部署。4D打印生產的武器裝備可根據環(huán)境和攻擊目標而優(yōu)化武器攻擊性能，從而提高作戰(zhàn)效能。值得一提的是4D打印技術可使智能材料感知外光的變化，自動實現與周圍環(huán)境融為一體，從而改善偽裝效果。美國陸軍部已投入大量資金開發(fā)“自適應偽裝作戰(zhàn)服”。該作戰(zhàn)服的研究和開發(fā)如果成功，則具有以下三個方面的典型特色：

（1）隱身功能，該服裝能在不同的環(huán)境下自由變換色彩，實現士兵的自適應隱身；
（2）適穿功能，根據溫度的變化自動調節(jié)服裝厚度和透氣性，實現士兵的自適應舒適性；
（3）防彈功能，根據所受外力自動調節(jié)軟服裝外圍硬度，平時穿著柔軟如織，遇子彈襲擊堅硬如鋼，實現士兵的自適應保護。


1.2 在大型軍用裝備構件制造中的應用及展望

大型軍用構建制造的成本控制一直是個難題，然而利用4D打印技術可以大為改善，我們可以控制智能材料的關鍵部位或 敏感部位，把大型構件設計成折疊狀，然后利用3D打印機得到半成品，通過特殊的參數刺激控制來實現大型軍用構件的自動展開。例如將4D打印技術應用于軍用人造衛(wèi)星，通過該技術的自動展開和組裝功能快速成型帆板和天線等大型構件，將大大減少機械部件的數量和重量，降低發(fā)射軍用衛(wèi)星所需成本。據有關報道，美國利用3D打印技術制造軍工部件已獲成功，但是仍需花費大量的人力資源才能把這些部件組裝成完整的軍事用品。利用4D打印技術制造出的部件，則無需人工組裝，它們會自動組裝成為一個成品。試想戰(zhàn)機的各個部件若用4D打印技術制造，則何懼敵人炮火攻擊，損壞的部件會快速被生長出的新部件所取代，完好如初。試想將4D打印技術應用于防御工事外部罩殼的制造，受到炮火襲擊后如有“裂痕”，則外部罩殼可以自行彌合裂痕，讓防御工事堅固如初。

1.3 在微型軍用機器人制造中的應用及展望
眾所周知，微型機器人在未來戰(zhàn)場上執(zhí)行大量偵察和打擊任務，它的優(yōu)勢在于“微”，但目前的微型機器人仍是由大量的齒輪、軸承等機械部件組成，這些部件的存在限制了其體積、重量和能耗進一步“微型化”。4D打印技術將為微小型機器人的制造、運動與變形提供新的技術路線，通過敏感材料的精確設計和控制有望取代齒輪等傳統機械部件，實現微型軍用機器人的進一步微型和靈活運動，從而顯著減小機器人的體積、重量和能耗需求。

1.4 在軍事后勤保障中的應用及展望
4D打印技術可將更多武器裝備制造成折疊狀態(tài)，方便遠程機動。同時采用4D打印出的半成品將有更強的可塑造能力和環(huán)境適應能力，也有望減少裝備器材的種類和庫存數量，提高后勤效率，發(fā)揮更強的作戰(zhàn)效能。比如利用4D打印技術開發(fā)的萬能背包，這個背包平時與普通背包無異，但在海水中可立即變成救生艇，高空墜落時可變成降落傘，夜晚宿營時可變成舒適帳篷。

2 4D打印技術在生物領域中的應用及展望
2.1 在生物領域中的正面影響
4D打印技術制造出的智能結構，可以發(fā)生由一維結構或二維結構向三維結構的變化，或者由一種三維結構變成另一種三維結構。這種結構的隨意變化也給4D打印技術的應用帶來無窮的暢想，而生物醫(yī)療領域最有可能成為該炫技的主秀場。將4D打印的產品應用于生物醫(yī)學領域，尤其是普及至人體內應用，無疑是人類健康醫(yī)療發(fā)展的福音。伴隨著納米技術與數字化制造在第四維空間研發(fā)的深入，4D打印將可以進入非常微小的空間進行“工作”。

麻省理工學院數學家丹雷維夫曾表示，4D打印有利于新型醫(yī)療植入物的發(fā)明。比如心臟支架，如果采用4D打印技術制造，將不再需要給病人做開胸手術，可通過血液循環(huán)系統注射入攜帶設計方案的智能材料，其到達心臟指定部位后自我組裝成支架。除此之外，多自由度操作臂是微創(chuàng)技術未來發(fā)展的研究難點。李滌塵表示，他們正在自主研發(fā)智能材料，并通過4D打印技術應用于多自由度操作臂的制造研究中。“未來手術操作臂可以通過食道、肛門等人的自然腔道進入人體，并在體內任意更改方向�！�

李滌塵稱，電極施加電壓作用在智能材料上，就可以實現操作臂的多自由度彎曲和轉向，從而成為一種剛柔并濟的操作臂柔性控制方法。4D打印在生物醫(yī)療領域，尤其是癌癥治療方面將會有進一步的應用與發(fā)展。牛津大學圣安東尼學院榮譽學者納伊夫·魯贊曾在美國《外交》雙月刊網站發(fā)文稱，借助4D打印的原理，研究人員還能夠利用DNA鏈制造出對抗癌癥的納米機器人。近期有外媒報道，美國國防部撥付850萬美元資金，支持美國西北大學國際納米技術研究所進行4D打印機的研究與開發(fā)，該設備將能夠實現納米尺度下的操作，讓我們期待4D打印在醫(yī)藥領域的進一步發(fā)展。

2.2 在生物領域中的負面影響
人體內的4D打印細胞或納米機器人，如果監(jiān)控不到位的話，很容易演變成被壞人利用的生物武器原型。而可編輯材料所具有的自變形特性，讓其相較于3D打印而言，被犯罪分子利用的風險性也更大。比如針對搶支等違禁物品來說，3D打印出來的直接是具體實物，相對容易被發(fā)現和控制；而4D打印物在打印之初，有可能是任何形態(tài)，只有在一定的環(huán)境和介質作用下，才會“變形”為預先設定的真實面目�？梢哉f，讓人防不勝防。 研究人員借助4D打印的原理，利用DNA鏈造出了對抗癌 癥的納米機器人。在這方面，雙重用途同樣帶來切實的擔憂。由于能夠輕易獲得必要的工具，一些人可以利用此類技術來制造新的生物武器。另外，許多圍繞3D打印的擔憂還在繼續(xù)存在，有些新技術成為犯罪分子利用的手段（已有人通過3D打印機制造出gun和手銬鑰匙）。同時，4D打印技術的出現，制造商將有更多途徑來定制產品，從而進一步縮短供應鏈，但這也將危及技術工種，并且產生產品問責的問題和知識產權問題也會越來越復雜。

3 4D打印技術在工業(yè)建筑領域中的應用及展望
蒂比茨和他的團隊介紹，把4D打印技術應用于城市管道建 設，將是一個了不起的建筑技術飛躍，管道的自動調整、自動組裝和自動修復功能可以降低管道鋪設的難度和成本，還可以輕松應對地質災害的發(fā)生，危險地區(qū)的工程將不再需要人的參與。人們只需在電腦上完成管道規(guī)劃和技術嵌入，接下來的一切只需“打印”。

4結語
當然，4D打印技術還有待成熟，還存在諸如智能材料缺少， 打印機規(guī)模太小等問題，但是3D打印技術從構想到成熟只用了20年，所以我們有理由相信隨著科學技術的進步，這些難點必將被攻克，4D打印技術應用于生產將會成為一種可能，并且在未來的制造領域中定會大顯身手。

編輯：南極熊
作者：趙峰，李素麗，劉偉 （陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院）
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