4D列印讓3D列印“動”起來

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TED2013大會，麻省理工學院（MIT）自我組裝實驗室公佈了一段視頻，把混合材料製成的繩子放到水中，過段時間自動變形為預設的正方體結構，向世界預告了基於3D列印基礎上4D列印的到來。

利用層層疊加方法的快速成型技術-“3D列印”，相信大家都不陌生，它不僅已被應用在現實生活中，甚至被號稱將引領第三次工業革命。
雖然3D列印尚存在諸如材料、機器等限制而未全面普及，但科學家們總不會停止前進的腳步，因而誕生了“4D列印”。
4D列印3D列印的D意指dimension（維度），即為三維空間的立體列印。
4D列印則在此基礎上再增加一變形（時間）維度，總體即為通過一定條件可自我組建成預設形狀的3D列印。
在這過程當中需要條件來驅動，如水、磁力或溫度等來促使其改變原有的形狀。

在MIT影片當中最關鍵的，即為繩子的“接環”。MIT建築系講師Skylar Tibbits說明，在實驗室官網裡將之稱為“可程式設計材料（Programmable Materials）”-利用這種智慧材料，來實現“自組裝”的特性。MIT先使用Stratasys的3D列印機做出了多層材料，其結合了普通塑膠及會與水反應的智慧材料，讓水作為能量來源驅動原先堅硬的材料變形為一立方體的結構。
“可程式設計”的意義即在於，通過軟體設定，讓智慧材料在設定的時間和條件下，變形為預先設定的形狀。4D列印的精髓即在於直接將設計通過印表機植入材料當中，在條件環境驅動下，不需再透過外部設備力量即可讓產品依原先設計而自我變形組裝。
4D VS 3D3D列印目前遭遇一些待解決的難題，因而限制了其發展。4D列印的誕生雖不能解決所有問題點，但在某部分也讓3D列印的未來看到了曙光，比如：機器的尺寸問題。Skylar 舉了一個極端卻易懂的例子來說明4D列印的優勢：當你想要列印出一棟摩天大樓時，如果不想列印零組件再組裝，而是一體成型的話，那麼你需要一部和摩天大樓一樣大的3D列印機。玩笑的背後，清楚的指明3D列印的缺點-無法自我組裝成型，而借助智慧材料，4D列印讓3D列印機能製造出比自身更大的物品。
距離MIT發佈的影片至今，時隔一年多的時間，Skylar持續帶領其團隊研究，讓更多的材料能具備自我組裝的特性。接著，我們一起來探究4D列印近期的最新應用。
4D列印的應用

• 傢俱、建築：比利時設計師Carl DeSmet提出用4D列印取代需繁瑣組裝的IKEA傢俱，利用4D列印出高分子記憶材料壓扁裝箱後，到客戶家中借由條件驅動，自動還原預先設定的記憶外形。在建築領域不再需要一磚一瓦的堆砌，而是讓4D列印的成品按照預先設定的程式設計自我組裝成一棟房屋建築。
• 工業應用：澳大利亞臥龍崗大學ACES用4D列印製作一自動水閥，其內部智慧材料遇到熱水高溫時自動變形，進一步讓水閥自動關閉，達到利用物理特性驅動的效果。甚至進一步設想，讓埋藏地下4D列印水管具備更強適應能力，自動擴展、緊縮或撥動水流。
• 汽車領域：汽車工業中正著手研發可根據風阻、氣壓等因素作為驅動的智慧材料，讓汽車配備4D列印產出的擾流板，進而根據環境自動調整最佳形狀性能，並將此技術延伸至其他零部件上。
• 醫學研究：哈佛大學威斯研究所Shawn Douglas利用4D列印出能自我變形的細胞，進一步模擬抗體阻止癌細胞的過程來研發抗病毒的奈米機器人。此外，也正研發應用在一些植入人體4D列印的醫療器具如支架等，利用其能改變形狀的特性，於血液系統注射後達到指定位置自我組裝架構成形。
• 服裝產業：3D列印服裝早已出現各時裝T台，但最為人詬病的即為不可伸縮性，其外形雖時尚，但材質堅硬的服裝卻令人倍感不適。4D列印借助智慧材料讓3D列印的服裝具備可變形性，通過接環連接，讓衣物更加舒適靈活，甚至自行適應外部環境。
  

未來的明日之星4D列印的自組裝特性就像是不需馬達、電線的機器人，讓列印出來的材料照預先設定的程式設計變形- 這好比蛋白質分子照著基因序列的設定，自我形成細胞、組織與器官，最後成為人體。雖然4D列印仍要經由研發更多材料並回應不同條件來普及，但這項技術的出現仍足以顛覆傳統製造業、醫學在內等諸多領域。
原來需人為或外力以組裝零件的功能，未來將經由4D列印而實現，讓物體如同機器一般“自動”創造出來，大型機台、設備等恐將逐漸被注重程式設計與材料的4D列印機所取代。4D列印當中最有價值的，就是成品極強的適應及變形能力，賦予了人們可創造利用的無限空間。就像Skylar所說：“在未來，任何材料都是可程式設計的。計算能力也不再是電腦的專利，任何東西都可具備計算能力！”