18新利最新登入4D打印工作原理

本质上，4-D打印是3-D打印和另一个前沿领域的结合，自组装．

自我组装就像它听起来的那样——自发地将碎片有序地组合成一个更大的、有功能的整体。这个领域很受欢迎纳米技术圆有两个很好的原因。首先，自组装已经在纳米尺度上发生，并为从蛋白质折叠到晶体形成的过程提供了驱动力[来源:Boncheva和Whitesides]。其次，我们没有锤子、扳手和螺丝刀来制造分子大小的机器。它需要自己去适应。

但如果我们能将自我组装的规模扩大到人的比例，就能让我们使现有的产品更便宜、更简单，或者创造出其他不可能的新技术(来源:Boncheva和Whitesides)。这是一项艰苦而令人沮丧的工作。即使在理想的情况下，它也需要分解一个组装序列，开发可编程部件，并提出一个能让你的装置运转起来的能源。加入一些错误修正也不是一个坏主意[来源:Tibbits］．不过，你主要需要合适的工具和材料。

输入三维打印．虽然新的方法不断出现，但传统上，3d打印需要在打印床上反复铺设精心定义的聚合物层。随着每一层的硬化并与下面的层融合，一个三维形状就出现了。早期的3d打印机一次只能使用一种材料进行打印，但较新的3d打印机可以使用更广泛的打印介质，并且一次可以使用多种材料进行打印。这是4-D打印的一个重要突破，因为不同的材料允许开发人员在变硬、弯曲或膨胀的区域进行建造，或者“想”以某种方式折叠。它们可以有像海绵一样吸水的区域，或者暴露在光线下会产生电流。只要你构建了正确的几何结构，一切皆有可能。

这就是麻省理工学院的自组装实验室所说的可编程的问题-一种科学、工程和材料的方法，专注于可以编码来重塑自身或改变其功能的物质。可编程物质的一个应用是4-D打印[来源:麻省理工学院］．

麻省理工学院的研究人员并不是唯一研究4-D打印的人，但该学院的自组装实验室是最早引起轰动的实验室，这在很大程度上要归功于其主任的TED演讲，架构师斯凯拉·蒂比茨。

该实验室的研究人员通过创造简单的、大规模的、自我建造的机器人，首次进入了自我组装的世界。当他们发现劳动力和费用都行不通时，他们转向制作带有逻辑的形状和材料。

2010年，他们创造了“逻辑物质”(Logic Matter)，这是一组环环相扣的形状，可以仅使用它们的几何形状来解决计算问题。

简单来说，计算机使用电子门来操作，这些电子门将1和0结合起来，然后返回一个真或假的答案。这些门使用布尔代数，它会问这样的问题:“两个输入都是1吗?”或者“其中一个输入是1吗?”蒂比茨实验室提出了同样的问题，但使用了复杂的多面体，而不是通常表示1和0的电开/关状态。输入涉及点击形状到位。这将创建一个新的配置，允许下一个形状(输出)仅以向上(true)或向下(false)的方向附加，从而提供答案。

逻辑物质并没有上升到自我组装的水平——碎片需要人类的手把它们拼凑在一起——但它确实是朝着这个方向迈出的重要的第一步，它表明物质可以有指令内置在它里面[来源:18新利最新登入Tibbits］．在接下来的几年里，自组装实验室的研究人员越来越多地转向更符合他们名字的产品:如果在容器中滚动或摇晃，就会结合在一起的几何形状，摇晃时就会呈现特定形状的链条，等等。

这标志着下一个重要的步骤:将内置的几何趋势与输入的能量(或其他环境因素)结合起来，使其启动。

但是这个几何趋势是什么呢?好吧，如果你曾经试过用纸板(或木头或金属)做东西，你就知道如果你先在上面划线，它会更容易折叠。因此，评分是一种编程，一种让材料更有可能按照你想要的方式表现的方法。现在不是硬纸板，想象一下材料的组合，其中一些可以吸收水分并生长，而另一些则保持僵硬。把它扔进水里，看着它的形状变化。在折叠和评分方面足够聪明，在你意识到这一点之前，你就拥有了真正特别的东西。

但首先，你需要对你所使用的材料和你的机器制作它们的模式进行大量的精确控制。这种方法在较小的范围内效果更好，能源投入和材料差异可以产生更大的影响。多材料3d打印有助于提供研究人员所需的对照，但他们也需要正确的材料。

当蒂比茨向Stratasys(一家位于明尼苏达州的3d打印公司)的工作人员提到他的想法时，他们向他展示了一种浸入水中可以生长150%的材料。18新利最新登入水提供了一种很有前途的方法来操纵4-D物体，因为大自然提供了许多物体的工作模型，这些模型会随着水分的变化而改变形状。我们称它们为植物。

植物展览取向，根据环境因素，如阳光(向光性)、水(向水性)、重力(向重力性)、化学物质(向化学性)甚至物理接触(向硫性)，倾向于以某种方式生长。例如，植物倾向于向阳光弯曲，因为阳光会杀死促进生长的生长素激素。因此，植物背向太阳的一面比背向太阳的一面长得快，导致植物向阳光弯曲。只要有一点想象力，就很容易看出我们如何同样地弯曲连接材料、环境和能源的物理学，以满足我们18新利最新登入的要求。

考虑到植物为4-D打印研究人员提供了灵感，哈佛大学的一个团队在2016年制造了一种4-D打印的“兰花”，当放在水中时，它会呈现出同名的形状，这也许并不奇怪。这朵花是用一种水凝胶复合材料打印出来的，一层又一层地用管子压在打印床上，就像糕点袋里的糖衣一样[来源:麦艾尔派恩］．

印刷过程的两个方面解释了花的行为。首先是使用水凝胶，它可以吸收大量的水。第二，这种复合材料还含有纤维素原纤维——植物结构所必需的小而强的纤维。由于纤维素总是朝着一个已知的方向流动，研究小组可以仔细地对其进行设计，以控制花的哪些部分会膨胀，哪些部分在接触水后会保持僵硬[来源:麦艾尔派恩］．

毫无疑问，随着时间的推移，我们将看到更多使用各种其他材料的实验，例如柔性导体和动态导体电路．但我们也可能会看到术语4-D打印，像大多数流行语一样，拥有自己的生命，扩展到包含更广泛的主题。例如，一家名为“神经系统”的公司将其3d打印服装的新技术描述为“4-D打印”，这种技术将巧妙排列的尼龙花瓣通过关节连接起来，制成衣服。罗森克兰茨］．

让我们来看看其他一些潜在的4-D未来。

纳米机器的世界在自我组装的道路上领先一步，部分原因是它可以从自然界汲取高效、复杂的设计的例子，这些设计可以自我组装，很少出错，并在需要时自我修复。事实证明，将这些原则应用于人体是具有挑战性的，但如果可行，其可能性是令人印象深刻的——美国陆军也没有忽视这一事实，它已经在哈佛大学、匹兹堡大学和伊利诺伊大学之间分配了85.5万美元，用于资助自行建造桥梁和避难所等军事应用的研究[来源:Campbell-Dollaghan］．

我们已经提到了时尚和家具如何提供一种有趣的、有利18新利最新登入可图的方式来引入一种新技术，考虑到一种尺寸显然不适用于所有的事实，这是一个成熟的应用领域。我们很快就能看到款式——或者裙摆——随命令而改变。

关键是，3d和4-D打印的吸引力主要在于其灵活性。通过三维计算机建模，公司可以定制适合任何身体的裙子或鞋子，无需任何切割或缝纫，并一次性打印出来[来源:罗森克兰茨］．利用4-D材料和几何结构，这种服装可以根据拉伸和应变力进行自我调整。例如，跑鞋在感知网球比赛的压力时，可以通过硬化来提供横向支撑和稳定性。

宝马已经展示了一款概念车，它将4-18新利最新登入D设计融入到他们所谓的“活几何”中。想象内部或外部组件可以改变形状，以应对不断变化的驾驶条件。在车外，4-D面板可以最大限度地调整温度、气流、转向或传感器输入空气动力学效率。轮胎和刹车也可以根据路况变化而变化[来源:Vijayenthiran］．

在未来，随着仿生学和4-D打印技术的结合，我们可以看到为我们的身体量身定制的医疗设备，甚至是对环境做出反应的身体增强装置[来源:Grunewald］．这就是我们所说的个性化医疗。

当然，4-D打印在充分发挥其潜力之前还必须克服许多限制。首先，目前来看，这个过程仍然非常非常缓慢。它对几何的依赖在某种程度上限制了它的能力，但这可能是暂时的障碍。可能更严重的是作用在任何被迫弯曲的材料上的应力，或者这种几何结构可能引入的故障点。此外，在某些情况下，4-D材料很难保持不变——它们保持新的形式而不是恢复到旧的形式，或者不能在设计的状态之间切换[来源:沃斯默］．

至于4-D打印是否会成为一种时尚、一种好奇心或下一个大事件，只有时间能告诉我们答案。