4D，一片全新的天地
2017-4-6 来源：数控机床市场 作者：吴玖
开篇之前，请诸位同笔者一起，将手放在胸膛，感受那里澎湃的力量——是生命的源泉。
每一个生命体，都是大自然的杰作。内在的基因，加上外在的环境，在刺激与应激的循环里，造就了如今的我们。未来，我们将一直处于变化之中。而这种变化，恰是处于时间的维度之上的。
2013年2月26日，在美国加州长滩举行的TED2013大会上，麻省理工学院（MIT）建筑部讲师斯凯拉•蒂比茨（SkylarTibbits）将一种新颖的材料组合用于3D打印机，制造出了一种线状物体，该物体被放入水中时，能改变形状组成字母“MIT”。通过这一实验，提出了4D打印的概念。而后，2014年10月8日，美国《外交》双月刊发表了一篇名为《准备迎接4D打印革命》的文章，让4D打印技术概念风靡全球。
而所谓的4D打印，相比目前方兴未艾的3D打印技术多了一个时间维度，通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。
4D 打印直接将设计内置到物料当中，简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程。让物体如机器般“自动”创造，不需要连接任何复杂的机电设备，能够创造出有智慧、有适应能力的新事物。
听上去是不是很熟悉？
从这种意义上来讲，我们每个人都是大自然进行4D打印的产物。未来，制造出与人类完全相同的机器人是极为有可能的。
至于4D打印的流程大致上是这样的：
第一步是对材料进行编程，预设其对某些刺激因素所做出的反应。
第二步是把这样的材料用3D打印机打印出来。
通俗上说，多了一个维度，就相当于为目标产品内嵌了一个自我激活的3D打印机，可以根据外部刺激进行实时的调整与再创造。
4D打印的发展前景是诱人的。
这项技术的始作俑者美国马萨诸塞州技术研究实验室总监Skylar Tibbits表示，4D打印可以生产智能产品，它可以自动适应外部变化，进行自我修复。
比如说，管道可以设计成能够根据水流量进行膨胀或收缩的，或者在破裂时自我修复。此外，我们可以通过4D打印液态的支架，然后通过血液循环系统，将其注射入携带设计方案的智能材料，等其到达心脏指定部位后，再通过自我组装成心脏支架。还有在军事上，美陆军首席技术官格雷丝·博赫内克有一个设想，防弹衣未来可能会采用4D打印技术。科学家未来可能开发出轻薄小巧的防弹衣，便于储存和携带，但也可以伸展开并提供全面的防护。用4D打印制造的目标产品的自适应或自修复技术也能在灾难救援或太空环境等恶劣环境中派上用场。甚至当此项技术在全社会范围内普及开来的时候，每个人都可以是设计者与制造者。到时，我们的自主性会大大提高。
具体到机床行业，当前看来，大到一部机床的操作台，小到拧紧连接部位的螺丝钉，无不受着加工过程中的各种因素的影响（负载，温度等等），我们要进行调整，唯有装上许多与之配套的数控系统，这样无疑会增加一部机床的造价，从而增加加工生产成本。可如果这些机床部件是通过4D打印的呢？那么它们便可以随时应激，随时反应，使我们的机床总是处于一种最佳加工状态。
我们甚至可以进一步的畅想，如果整部机床都是有4D打印技术（当然是在克服了刚度，强度等等一系列难题的情况下。）打印出来的呢？这样一来，机床成为了一个完整的整体，因各部件连接所造成的的不良影响也可以消除。到那时，我们的机床才能实现真正的自动化和智能化。
目前，工业4.0，智慧制造，人工智能等等口号铺天盖地，而要真正的进入智能化的时代，笔者敢断言，4D打印（或与之类似的技术）是绕不开的。
唯有在无人踩踏的路上才能留下脚印，面对着4D这样一个全新的领域，对于处在飞速发展阶段的我们，难道不是一次弯道超车的难得机遇吗？
那么，发展的关键发力点在哪里呢？
要分析这个问题，必须要做的是明确当前4D打印技术的发展瓶颈在哪里。
结合之前笔者提到的4D打印的过程，其限制因素也就蕴含其中。
第一，是打印材料的选取
4D打印的材料应当具备可编程模拟特性，照Tibbits的话说就是：让物体如机器般自动制造，而不是先设定好物体然后再制造。还有就是变形后的稳定性，也就是应激变形后如何维持这种形状以及与之伴随的性能。
第二，是寻找合适的方法来控制刺激因素
当前实验的4D打印技术所使用的材料只能够对水做出应激反应。这恰恰是一个亟待克服的难题。因为，4D打印成品一旦应用到实际之中，刺激因素的来源将有很多，光，电，力，热，磁等等等等。如何对这些因素进行精准的反应，以及预设变形，是编程技术上的难题。
以上两点事4D概念上的难题，既然其是建立在3D打印的基础上的，这就自然而然的引出了最后的限制因素——就是3D打印技术本身现存的限制因素了。
目前进行3D打印的材料和时间成本的消耗，还有就是针对于动态物体的打印的机器限制。笔者在大学进行课程设计期间，仅仅是简单一个车架模型的打印（尺寸很小），就要耗费普通人难以承受的时间金钱成本。如何使3D打印技术日臻成熟，是我们现阶段首要解决的问题。应当与4D打印概念的完善同时甚至要优先进行，切不可舍本逐末，好高骛远。
提出了问题，就是为了解决问题。未来总是光明的。
脚踏实地，才能仰望星空，做好当前的科学研发工作，努力自主攻坚克难，期待着我国相关从业者有朝一日可以在如此前沿的领域绽放光彩。
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