【科技评论】4D打印：创造可被编程的世界
【译者按】 3D 打印产业刚刚起步，4D 打印概念已经破茧而出。尽管4D 打印尚处于试验阶段，但其所具有的潜在优势正在引起业界的高度关注。2014 年5 月，美国大西洋理事会发布了资深专家署名报告《下一个浪潮：4D打印与可编程物质世界》，系统介绍了4D 打印技术的特征和应用范围，分析了面临的挑战和发展前景。报告指出，4D 打印将会是一项颠覆传统制造方式的技术，其打印材料具有编程特性，能赋予产品动态变化的特性，不仅使产品功能更强大，而且能减少资源消耗，促进人类社会的可持续发展。然而，4D 打印的出现将在生产安全和社会安全方面产生空前的挑战，对此必须有良好的应对策略。赛迪智库规划研究所对该报告进行了编译，希望能为我国相关决策部门提供参考。
3D 打印已出现30 余年，但直到2013年才激发出全球对该技术的热情浪潮，其中也包括美国总统奥巴马，他曾在2013 年国情咨文中将3D 打印喻为“有潜力推动整个制造方式革命”的技术。政府、产业界和公众已充分认识到3D 打印当前的影响和未来潜力，关注度已经达到顶峰。
如今，一项新的颠覆性技术已破茧而出，有望将3D 打印提升至一个全新的高度，对经济、社会，乃至全球政府、商业和民众的生活环境都会产生深远影响。可编程物质（Programmablematter，PM），即4D 打印，具有3D 打印对经济、环境、地缘政治和国家战略方面的影响力，同时也在将虚拟世界的数字信息转变为材料世界的真实物体方面具有前所未有的新能力。4D 打印的第四维是指在物体被制造后仍然能够改变形态和功能，从而提供额外用途并催生各种性能驱动型应用。
一、4D 打印的特征
设想我们的世界中，物体能够通过个人指令或预设程序进行变形或改变其属性，那么这个世界将从中获得巨大收益，如机翼可根据气流自适应变形，家具甚至建筑可针对不同功能自行组合拆解。同时，地球有限的资源可以被更好的保留。物体能够被循环利用而不仅仅是节省部分材料，通过指令能够分解为可编程颗粒或零部件，从而能够再构成新物体并拥有新功能。在当前世界人口和中产阶层都迅速扩张的情况下，4D 打印的长远发展潜力在于通过利用更少的资源提供产品和服务，从而促进形成一个环境更加可持续的世界。
（一）4D 打印材料拥有“编程”属性
3D 打印创造可被打印的世界。3D 打印是一项应用非常广泛的通用技术,从人体替代器官到机翼甚至核武器,都可能被打印出来。3D 打印采用材料逐层堆积的方法制造实体，从而能够制造出任何几何形状的物体，包括一些用其他制造手段难以实现的物体。
4D 打印创造可被编程的世界。PM 给3D 打印材料赋予了“编程”属性，使其成为3D 打印技术的逻辑组件和扩展（见专栏1），改变了传统制造业的生产模式。随着一系列融合技术的发展和协作，PM 的制造已成为可能。3D 打印技术已有了大量改进，可打印包括金属、陶瓷、塑料、甚至复合材料的物体。随着计算机和电子元件小尺寸、低成本的发展趋势，智能材料也同样变得更好、更便宜。而当可编程功能引入3D 打印材料中，可以将以往通过机器执行的功能直接嵌入相关材料，省去了对能源消耗大且易出故障的机电设备的需求。
我们当前所制造出的物体，包括3D 打印出的物体在内，基本都是稳定和静态的，即被制造后便无法改变形态或属性。PM 材料会将这个“惰性”的世界转变为动态的环境。PM 将使材料属性(如灵活性、孔隙度、电导率、光学性质、磁性等各个方面)充满变化，并且会创造出能够组合、分解以及重组为所需形状和复合属性的大规模物体。
专栏1 可编程物质——Programmable Matter
可编程物质（PM）是指物体能够通过程序化的方式进行变化（包括形状、密度、模量、电导率、颜色等），涉及科研、工程和设计等多个领域。PM 有至少两种形态：一是由4D 打印出的各种元素预先连接而成，作为一个可自变化的完整组装结构；二是可自主合并或分解的未连接的体素。PM包含但超越了3D 打印、微型机器人、智能材料、纳米技术和微机电系统（MEMS）等一系列技术和功能。
美国国防高级研究项目署（DARPA）早在2007 年就已开始了“可编程物质”的研究计划。该前瞻性研究计划旨在缩小机器人并在毫米级别增加新功能。DARPA 为实现PM 的研制，制定了一个多年计划，用于设计和构建可能发展成更大规模军事系统的微型机器人系统。其中一项成果是麻省理工学院设计并研制的“可变形机器人（milli-motein）”，这是一项模仿人体蛋白质可自变复杂形态而研制的毫米级别的机动组件。康奈尔大学的一个小组还开发出了一种能够自我复制的自识别机器人系统，此后，微型机器人系统被研制出来，它能够在大型组装中独立移动和重新调整形态。
（二）4D 打印赋予产品动态变化特性
4D 打印是PM 的最新研究成果。在图1 展示的案例中，4D打印物体通过编程被预设为遇水变形的功能。图（a）显示了一维物体变形为二维，当一条线浸入水中后自主弯曲形成“MIT”字母造型；（b）、（c）两图显示了三维立体形状的变形过程：图（b）显示了一个平面自主折叠形成一个封闭的方盒；图（c）显示了一条线自主折叠为一个立体线框。另外一些案例如图2 所示，形如“MIT”字母的一条线自主变形为字母“SAL”，一个平面图形自主变形为一个立体的截断八面体，以及一个平面圆盘自主折叠为一个曲面凸纹的折纸结构。这项实验由麻省理工学院、Stratasys 公司和欧特克（Autodesk）公司共同开展，使用的是Stratasys 公司的Connex 复合材料打印机和一种入水后能够扩大至150 倍的新型聚合物。欧特克公司的Project Cyborg 软件中已经嵌入了一项新应用，模拟4D 打印对象及其材料的动态优化。该技术的制造潜力已吸引了大量媒体的关注。
另一项4D 打印技术涉及在3D 打印工作中进行布线或嵌入特殊兼容组件。一旦物体被打印出来，组件能够由外部信号触发激活其全部自组装行为（如图3、图4 所示）。图3 中，机器人手指的设计和制造是通过在增材制造（3D 打印）过程中嵌入特殊组件而成，（a）显示该机器人手指的计算机辅助设计图（CAD），（b）显示被嵌入单丝纤维的手指制造完成，（c）显示通过滑动手指驱动关节。图4 中，集成了传感和驱动功能的飞机襟翼通过3D 打印制造而成，（a）显示在材料沉积过程中直接嵌入平面和立体的导体布线，（b）显示具备形变驱动的记忆合金线嵌入后的详细几何视图，（c）显示当感应到电流通过后，襟翼随之摆动。其他4D打印技术进展包括应用复合材料，并根据热激活或曝光等物理机制转变成几种不同的复杂形状。这种技术对机器人、家装以及建筑施工等领域都有巨大的潜在意义。
二、4D 打印的应用
（一）制造带有传感特点的复合材料
将传感器嵌入到3D 打印对象中将开创一种新的材料合成方式。纳米材料嵌入到3D 打印对象中可以构建多功能纳米复合材料，这种材料可以改变对电磁波的反应特性，如对可见光和紫外线的反应。例如，当纳米材料和3D 打印树脂混合时，材料在可见光下是灰色的，而在紫外线下是荧光红色的。相同的硒化镉（CdSe）材料,在不同的尺度大小,遇到不同的可见光，显示出不同可见波长的荧光，具有显著的自由感应能力。通过其他纳米材料和三维建模，能具备更为复杂的功能。例如,传感器可以嵌入到医疗设备中，用来测试血压、胰岛素水平和其他重要医疗指标。
（二）制造功能形式多变的模块组件
目前对可编程材料的研究还在不断深入，从理论上来说，通过综合利用更复杂的组装、不同的纳米材料及原材料和多种激活能量（水、热、光等），可以创造出具有可编程性质的杰出应用。就像乐高玩具的基础模块一样，通过组合大量可编程材料就可以使产品拥有改变形状和功能的能力。
在未来，通过多体素点的组合，可轻松获得能满足不同形式和功能的个性化的4D 打印产品。从理论上讲，4D 技术可以打印金属、塑料、陶瓷或任何其他材料，甚至可以引入DNA 生物系统。美国的胡迪利普森（Hod Lipson）教授和梅尔芭库曼（Melba Kurman）教授在其最近出版的《3D 打印：从想象到现实》一书里这样解释：氨基酸是生命体的最小单元，22 种氨基酸通过不同排列组成大量的蛋白质，这种组合方式使得生物体具有自我修复的潜能，也使得动植物可以使用相同的生物材料。同样的道理，像素是构成图像的基本单元，字节是构成信息的基本单元，氨基酸是构成生命体的基本单元，而体素即体积像素则是空间的基本单元。那么，通过不同体素类型的组合，我们将可能打印出各种类型的物质。例如，我们可以把刚性体素和软性体素混合，然后添加导电体素进行布线，最后添加电阻器、电容器、电感器等，打印出具有动态感应能力的产品。
三、4D 打印的挑战
（一）技术挑战
未来几年可能面临的技术挑战（排名不分先后）：
设计：我们如何编制未来的CAD 软件来辅助打印多尺度、多元化和动态的组件?
材料：我们如何设计生产具有多功能属性和嵌入式逻辑功能的材料?
体素之间的黏合：我们如何确保体素之间的附着力,同时具有可重塑性或使用后再循环的能力?
能源：我们如何生成、存储和使用丰富的能源来激活单个像素点和体素?
电子：我们如何有效地在亚毫米尺度嵌入可控制电子或者类电子物质?
编程：我们如何在物理和数字化两个层面上对单个体素点进行编程和通讯？我们如何对状态变化进行编程（3 个以上物理形态的变化）?
不同环境的适应能力：我们如何计划和设计环境响应体素?
组装：我们需要什么外力进行体素大规模自组装吗?
标准化：如何创建标准化体系（如ISO）以确保体素和系统的无缝交互?
认证：PM 系统可以通过正常渠道认证,还是需要建立全新的认证(如飞机零部件,需要严格的FAA 认证)？
物理和网络安全：我们如何将功能材料嵌入到对象,同时确保他们是安全的?
制造技术的经济成本：对于小型和大型制造商来说，PM系统的常规生产在经济上可行吗?
特征：我们如何描述体素的动态系统?需要新计量设备
吗?
循环：我们如何确保PM 系统在重新利用和自我修复时能够拆卸和重新配置?
当然,也有一些基于物理定律的PM 基本限制。例如：不能违反能量和物质守恒，体素原材料本身不能改变，但是可以很容易地改变材料的属性和行为。
要解决这些技术挑战以及其他未知的技术挑战，就需要进行广泛的研究，显然，这要求对PM 系统进行大量投资。
专栏2：PM 对知识产权的影响
像3D 打印一样，知识产权可能面临PM 的挑战，PM 让消费者和律师很难跟踪产品的起源。专利是建立在假设指定产品的唯一性。然而通过4D 打印和PM，产品形式和功能本身就具有多样性，PM 本身的组装和复制也存在一定的风险。那么如何界定专利的所有权，动态产品的风险承担者又是谁？和3D 打印一样，这些问题应该被从一开始就被新技术的设计者和制造商重视。
（二）安全挑战
4D 打印也带来了新的不安定因素。互联网和社交媒体已经在虚拟世界中创造了凌驾于政府管制之外的不断扩大的活动领域。设想现实世界的实物能够自由变化，而政府难以预测，则会对国家安全造成潜在威胁。如你的银行账户被黑客攻击导致网络世界的身份被窃取，在4D 技术的帮助下，你在现实世界的安全便无从保障。又如可变形机翼可能被黑客攻击而坠毁，你所在的建筑可能因为一条指令而土崩瓦解。我们不应仅仅认知到这些危机，而应对4D 打印可能造成的危险采取有效地保障措施。一些网络安全专家认为，知识产权保护或将变得极为复杂，由于产品轻易转变为其他形态，从而直接对更多产品线造成挑战。
4D 打印技术既能带来巨大机遇又能制造危机，政策制定者们必须搞清这项新兴科技的基本原理，并走在技术曲线前面。在充分认知4D 打印的全部潜力前，研究者、制造商、检测机构和资金方等仍需耗费足够时间和庞大资源不断努力。与此同时，能够证明4D 打印生命力的原型已经出现，未来几年内PM 有望在现实世界中得到应用。
四、4D 打印的发展趋势
人类的历史充斥着新技术改变全球经济和地缘政治的例子。可编程材料的出现将意味着不可估量的军事革命。美国陆军和海军已经为零部件开发3D 打印技术，使设计和制造成本更低,便于制造更轻、更有效的武器系统。由于体素的存在，战场上将不需要运输和储存成千上万的零部件，这将为后勤保障节省时间和费用,并为作战人员节省空间。可编程材料可以为国防事业带来更高的水平和更强的战斗力。想象一下，在悍马或潜艇上仅仅储存体素，通过体素的集合和程序编制就能够制造零件或工具，在不需要时，可以将其拆卸，从而将体素用于制造其他工具或零件。除了零件和工具以外,可编程材料还可以制造自动适应外界变化的军服。最终，也许可以实现制造可变机器人，机器人可以通过变身越过障碍。
未来，可编程材料可能的发展趋势如下：
建筑物、工业设备也可以呈现出生命特质。舍弃铸件砖或浇注混凝土,我们以PM 为基础，通过编程使它们自动堆叠形成建筑物，并嵌入电力装备、管道和信息技术等。
通过利用可编程材料制造机翼，使其可以通过信号或传感器自动响应外界空气压力、温度等环境变化，从而减少空气阻力，提高产品性能。
轮胎可以通过传感器感应道路、天气状况或者驾驶需求来自动改变其特性和牵引力。
鞋、衣服、齿轮能够适应用户需求和环境变化，提供强化的性能、适应性及风格。
家具可以通过根据用户要求自动组装或拆解。
自我修复材料,例如应用于飞机、道路、桥梁和设备的自我修复微裂纹的材料。
自拆卸材料，用于再循环利用、信息安全和保护机密资料。
能适应不同负载条件和天气的桥梁和道路。
译自： The Next Wave: 4D Printing and Programming the Material World，May 2014 by Atlantic Council
（来源：赛迪智库，译者：姜斯韵 贺石昊 朱明皓）
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