学术经纬|造桥、造火箭的3D打印正方兴未艾，超乎想象的4D打印已经来了( 四 )

2018年5月，苏黎世联邦理工学院和加州理工学院的研究人员打印出了一种水下装置，当被置于温水中时，它可以利用向后弹起的桨来推动自身向前运动[9] 。这有望催生出一种能够自主探测海洋的微型机器人，但目前需要在每次划水后重置桨叶。澳大利亚伍伦贡大学的材料工程师Geoff Spinks认为，可以利用电池驱动桨叶重置，但这会使得机器人的效率甚至低于传统的驱动方式， “4D打印仍然存在一系列重大的挑战。 ”他说。
另一类4D打印方法引入了变化的外部磁场来触发动作。美国的研究人员构建了一种内部填充液体且液体可随磁场变硬的3D打印栅格状结构[10] ，这种技术也许能在未来被应用于汽车座椅，使其在受到撞击时变硬。

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一种响应磁场变硬的液体被注入到中空结构和3D打印的栅格状结构中，这种材料可以实现刚性和柔性的转换。图像来源：Julie Mancini/LLNL
此外， 4D打印更为被动的潜在应用还包括血管支架，它可以被压缩植入到血管中，当到达目标位置时将拓展展开结构。去年七月，来自瑞士和意大利的研究人员研究了一种宽度仅为50微米的4D打印支架[11] 。这种比传统支架小很多的结构，有望在未来被用于治疗类似于尿道狭窄等有可能危及胎儿生命的疾病。
也许关于4D打印最为雄心勃勃的例子，要数那些不但会动而且确确实实有生命的应用了。目前，类似于可以进行皮肤一类组织打印的生物打印技术已经适用于实验室研究，同时也可以为已成功植入大鼠的肝脏和其他器官进行组织修补。研究人员梦想有一天可以打印出完整功能的器官，从而减少器官移植的等待时间。 “但这一技术还远未达到可以应用于人体的水平，至少还需要十几年的时间。 ”Lewis说。
集大成者
Scott表示，很多关于打印材料的创新性想法依赖于多种材料的同时打印， “那绝对是3D打印领域的前沿方向。 ”
去年十一月， Lewis及其实验室描述了一种可以迅速切换或混合不同高分子打印材料的打印机[12] ，这意味着它可以打印出既具有刚性部分又具有柔性部分的物体。 Lewis依靠先前在多材料打印机方面的工作，在马塞诸塞州的萨默维尔创立了一家名为Voxel8的公司。她说这种多材料打印机可以有效改善目前Voxel8的运动装置开发。可穿戴设备需要在关节附近保持灵活，但同时也需要具备容纳电子设备的刚性部分。 Saiz称赞这种打印机是一项“美丽的作品” ，还若有所指地补充了一句：“它和打印陶瓷或金属的设备截然不同。 ”
佐治亚理工学院的材料工程师Jerry Qi带领一支团队，在2018年三月推出了四合一的3D打印机：一个喷嘴可以挤出熔融聚合物，一个可以打印光敏树脂，输出的光敏树脂可以通过紫外灯或者激光进行固化；另外两个则可以利用微小金属点打印导线和电路[13] 。通过打印头之间的协同工作，可以将电路嵌入到刚性基板或柔性高分子外壳内，集成制造出所需的设备。 Qi表示团队目前正在与电子行业的公司合作，他们对于这种比传统方法更加快速的电路板原型打印技术十分感兴趣。
这不是简单地将四种不同的打印机整合在一起，研究人员还需要开发出能够使得打印头互相通信并追踪打印过程的软件系统。
这一领域目前还远未实现将制造带入千家万户的早期愿景。就目前而言，复杂精密的打印机价格高昂，阻碍了非专业人士的购买和使用，但3D打印在过去的20年里已经走过了很长的发展道路。 Todd还记得在2000年前后人们参观他的实验室，看到将金属粉末融合制成零部件的技术时的情景。与隔壁的铣刀机床和切割系统相比，他的3D打印机器深深地吸引了参观者。他回忆道：“参观者们看到这项技术时，就像看到了狗狗在酒吧中弹钢琴一样惊讶！”但现在这项技术已经成了很多工厂的标配了。