此后，麻省理工學(xué)院在DARPA的資助下繼續(xù)開展一系列可編程物質(zhì)方向的研究，并于2011年建立了自組裝實(shí)驗(yàn)室，最終促成4D打印技術(shù)的問世 。
4D打印材料根據(jù)對不同刺激類型的響應(yīng)進(jìn)行分類
03 4D打印技術(shù)的特點(diǎn)
3D打印技術(shù)通過各種方式將原材料如同疊“磚塊”一般逐層堆疊成形，具有高設(shè)計自由度、無需模具等優(yōu)點(diǎn) 。4D打印采用經(jīng)特殊設(shè)計和制備的新型材料，使這些“磚塊”能夠感知外界條件，隨之產(chǎn)生形狀、性能和功能的變化 ?？梢钥闯觯?D打印用于成形結(jié)構(gòu)或功能構(gòu)件，而4D打印用于成形智能構(gòu)件 。
因此，4D打印技術(shù)具有以下優(yōu)勢 。一是特殊產(chǎn)品制造，如方便后勤運(yùn)輸?shù)淖越M裝設(shè)備、可自我修復(fù)的自愈合裝甲、特定情況下自銷毀的高科技設(shè)備等；二是進(jìn)一步提高設(shè)計自由度，如果說3D打印幫助設(shè)計人員擺脫了可制造性束縛的話，那么4D打印則打破了裝配性的限制，使設(shè)計人員不必完全拘泥于裝配制約，設(shè)計出傳統(tǒng)裝配方式所無法組裝的高性能產(chǎn)品；三是降低成本，借助該技術(shù)，小型增材制造設(shè)備可以先制造小體積的中間產(chǎn)品，然后將中間產(chǎn)品變形成為所需的大型中空結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，節(jié)省設(shè)備成本 。此外，借助產(chǎn)品可變形、變性和變功能的特性，該技術(shù)還能夠減少裝配、物流和儲存等環(huán)節(jié)的成本 。
新型材料的應(yīng)用是4D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵 。以變形為例，4D打印所使用的材料根據(jù)對不同刺激類型的響應(yīng)，可以分為熱響應(yīng)材料、光響應(yīng)材料、電響應(yīng)材料、濕度響應(yīng)材料以及磁響應(yīng)材料等 。熱響應(yīng)材料的變形主要由材料的形狀記憶效應(yīng)或形狀變化效應(yīng)驅(qū)動；光響應(yīng)材料以及電響應(yīng)材料通過吸收光線或電流的能量并將其轉(zhuǎn)化為熱量導(dǎo)致形變，從而實(shí)現(xiàn)材料對光或電的間接響應(yīng)；濕度響應(yīng)材料采用具有極高親水性的聚合物材料，通過吸收水分使自身體積膨脹實(shí)現(xiàn)變形；磁響應(yīng)材料是將納米磁性顆粒與其他材料相結(jié)合形成，因而能夠?qū)Υ艌鲎兓鞒鲰憫?yīng) 。
麻省理工學(xué)院研發(fā)出的可編程木材可隨溫度和濕度變形
4D打印所采用的成型技術(shù)目前主要有粘合劑噴射打印、熔融沉積成型、直寫成型、立體光刻成型等，這些成型技術(shù)源于3D打印，現(xiàn)已在4D打印領(lǐng)域取得了一定應(yīng)用 。
粘合劑噴射打印是一種非接觸式打印技術(shù)，通過噴射細(xì)小的粘合劑液滴成型結(jié)構(gòu)，具有成型精度高、生物相容性好的特點(diǎn)，已在活細(xì)胞生物打印以及空間可調(diào)濾波器的4D打印中得到了應(yīng)用 。
熔融沉積成型技術(shù)采用噴嘴將熔融狀態(tài)的熱熔性材料逐層堆積固化成型，具有工藝簡單、成本低的優(yōu)勢，已成功應(yīng)用于自折疊、自卷曲超材料的4D打印 。
直寫成型技術(shù)采用高壓噴嘴噴射粘彈性材料使其沉積成型，目前采用紫外光輔助的直寫成型技術(shù)應(yīng)用于可伸縮、自愈合形狀記憶材料的制造 。由于彈性體材料具有自愈合的特性，該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用前景廣闊 。
立體光刻成型技術(shù)采用激光逐層將材料聚合成型，具有打印精度高、材料選擇多樣等優(yōu)勢，是目前形狀記憶聚合物最常用的打印方法之一 。
04 4D打印技術(shù)發(fā)展態(tài)勢
4D打印作為一項新興技術(shù)，目前正處于快速發(fā)展階段，國際上針對4D打印技術(shù)的研究主要圍繞4D打印材料的拓展、成型技術(shù)的創(chuàng)新、設(shè)計工具的開發(fā)等方面開展，并已取得了一定的成果 。
4D打印制作出的裝置可通過提升溫度實(shí)現(xiàn)抓取功能
4D打印材料種類不斷拓展，功能更加多樣 。新型材料是4D打印中的關(guān)鍵要素之一，應(yīng)用于4D打印的材料需要在環(huán)境改變的條件下實(shí)現(xiàn)自變形、自組裝、自適應(yīng)等多種功能 。因此，材料的拓展成為4D打印技術(shù)的重要研究方向之一 。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，目前4D打印材料的種類已經(jīng)從水凝膠等聚合物材料擴(kuò)展至復(fù)合材料、有機(jī)材料以及陶瓷材料等 。

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