一千多年前，2D活字印刷现世，我们可以在纸面上“复制”文字。
随着3D打印技术的出现，我们可以打印立体的物品。例如，一朵立体的花。
那有没有一种技术可以让这朵花跟上现实时间的脚步，像真花一样随着太阳升起，慢慢绽放呢？
当“随时间变化”也被考虑至设计
图源：harvard
也许4D打印技术可以做到！
2013年，MIT的科学家Skylar Tibbits 在TED演讲中首先提出了4D打印的概念。4D打印在3D打印的基础上，加入了“时间”这一个维度，能够让一个物品在离开了打印机后根据外界环境改变自己的形状。
4D打印的时间概念
图源：sculpteo
想要实现4D打印，离不开对于智能材料的应用。智能材料是一种可以根据外界因素改变自身形状的材料。举个例子，有一些聚合物可以对水做出反应，遇水可以吸水膨胀。如果我们根据材料的特性，将会膨胀的聚合物与不会膨胀的材料按照一定规律排列，再通过3D打印技术精准地控制变形区域的角度，就可以让一根线在没入水中时通过膨胀折叠“自我组装”，呈现出特定形状。
好的MIT，知道是你发明的了
图源：MIT
而不同的智能材料也赋予了4D打印物品不同的反应机制，除了可以吸水膨胀的材料之外，还有不少材料能对灯光、酸碱性、磁场、重力、气压等外界条件做出反应。
目前，4D打印技术仍然处于摇篮时期，但一些与4D打印相关的技术已经在制造业、医疗行业、甚至是艺术领域逐渐成型。
现代的制造业是一个十分繁琐浪费的过程。如果想要制造一个椅子，我们需要分别制造凳腿、木板，再用螺丝或是胶将不同部件连接起来。在这个过程中也会产生不少被浪费的边角料。而如果利用3D打印，又会出现另一个问题——3D打印技术受限于打印物品的大小。在制作大型物品时，需要做出零部件、再进行组装，这个过程十分耗时耗力。
现代制造业会产生大量废弃物
图源：time.com
4D打印为未来的制造业带来了另一种可能性——也许可以在打印机中打印占地面积小的物品，再让它们自行扩张、自动组装成最终产品的样子？
卡内基梅隆大学的研究团队开发了一款特殊的4D打印代码。这种代码可以根据预先设定好的模型，计算所需要的打印速度和打印规律，从而使成品在加热后按照预先设定好的规律折叠。如此一来，从打印机中打印出来的成品只是一片坚硬的塑料板。但在加热后，这片塑料板就会根据预先设定好的规律，进行折叠。
设计折叠规律
图源：dezeen
材料按照设计好的时间和规律折叠成了花
图源：dezeen
用热风枪加热后，这些平板将会自行折叠，变成花朵、椅子、小兔子等不同形状。虽然现在的4D模型仍然非常小，也并不牢固，但这项技术为现在的制造业提供了新的可能性。利用4D打印技术制造软件设计好原型，而后打印好的原型自动组装成预先设定好的形状，这大大减少了新品开发以及制造的成本，减少了生产过程中造成的浪费。
每1000个小孩中，就有一个尿道狭窄患者，有一些儿童甚至在胎儿时期就面临着尿道狭窄的问题。如果无法成功排除尿液，尿道狭窄将会对小孩的肾脏造成负担，甚至致命。
在很久以前，心血管支架就被应用于治疗心血管堵塞。将包裹支架的气球放到血管狭窄的部位，气球扩张时，支架被撑开。最后再将气球泄气、抽出，留下支撑血管的支架。这样的方法确实有效，但胎儿的尿道要比心血管狭窄得多，曾经的技术很难制造出能够适用于胎儿尿道的支架。
小气球把支架撑开，留下最贴合血管的支架
图源：rsc.org
2019年，苏黎世联邦理工学院间接地利用4D打印技术制作出了比原有支架小上40倍的迷你支架。他们首先利用激光，制作出了一个支架模具，并将记忆材料装入模具，最后将模具融化。这种记忆材料可以“记住”自己原本的形状，即便变形也能够恢复到原有的结构。因此，在压缩进入胎儿体内后，受到体温的影响，这种微型支架可以自行扩张成原有的形状，帮助扩张胎儿的尿道。
迷你支架
图源：rsc.org
虽然现在这种微型支架还无法用于临床测试，但科学家认为这种利用4D打印的技术是未来更多微创手术的敲门砖。
利用4D打印技术，我们可以创造出随外界环境改变的物品，这也给艺术领域带来了更多可能性。一位来自新西兰的设计师Nicole Hone就利用不同材质的树脂材料以及多种材质的4D打印技术制作出了一系列幻想中的“未来水生植物”。
未来水生植物
图源：nicolehone
通过搭配不同硬度的材料，Nicole可以设计出这些魔幻生物的外观以及行动。在一个密封的充气阀门中，这一系列水生植物作品在压力的作用下，像是有生命一般不断舞动。
来 say hi
图源：nicolehone
4D打印技术也为未来的特效摄影带来了更多可能性，原本只存在于数字媒体中的奇幻生物，也可以通过4D打印变得触手可及。
作为一个尚在发展初期的技术，4D打印仍然面临着许多功能性与实用性的问题，但4D打印所带来的无尽可能性仍然令人兴奋。
未来，我们的城市也许会变成这样：供水系统不再依赖于水泵，深埋地下的水管自动根据周围的环境变换着形状，避免爆水管，同时帮助送水。
图源：smithsonian
想要一件新的裙子？可以自己设计后打印一件。一团小小的布料也可以展开成为一整件专属于你的礼服。
“魔法”礼服
图源：pringer
开车出门，车子的外壳会根据气流自动变化，保证安全性同时减少能耗。
十几年前，3D打印技术还是一个仅存在于工业场所或是实验室的技术。而今天，我们甚至可以购买家用3D打印机，按照自己的想法设计模型。随着技术的进步，4D打印也有可能逐渐走进我们的城市，给我们的生活带来现在尚且难以想象的可能性。
参考资料：
· https://www.jiemian.com/article/4299951.html
· https://www.sarcos.com/products/guardian-xo-powered-exoskeleton/
· https://www.bigrentz.com/blog/construction-exoskeletons
· http://news.yangtse.com/zncontent/785333.html
· https://ieeexplore.ieee.org/document/9408629
· https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba9947
· https://www.x-mol.com/news/679256
· https://www.nytimes.com/2021/08/18/well/move/exoskeleton-suit-walking-running.html
· https://www.nbcnews.com/mach/innovation/robotic-exoskeletons-are-changing-lives-surprising-ways-n722676
鸣谢：清华大学化学系博士 化学工程师 孙亚飞为本文提供科学指导。
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来源：上海科技馆
编辑：just_iu