基本簡介
4D印表機4D印表機就是在3D列印的基礎上增加時間元素，它首次是在洛杉磯舉行的《科技、娛樂、設計（TED）大會》由麻省理工學院自我組裝實驗室的科學家斯凱拉·蒂比茨對這款產品進行了展示4D印表機。在展示過程中，一根複合材料在水中完成了自動變形。據介紹，這根複合材料由3D印表機“列印”，所使用的原材料為一根塑膠和一層能夠吸水的“智慧型”材料。蒂比茨稱：“列印過程並不是新鮮的東西，但關鍵是列印出來後發生的變化。”
對於這一技術的運用，蒂比茨認為其能夠自我變形的特性，可以讓物體實現在地下管道等難以接觸到的地方進行自我組裝。此外，這一技術還有可能套用到家具、腳踏車、汽車、甚至建築物的製造上。
目前，蒂比茨正在尋找製造商與他合作，以期在這些方面進行創新。“我們在尋找必須使用到這些材料的產品……構想一下，如果水管能夠自我延伸，應對不同的需求和流量，這樣就能夠省掉挖掘街道的步驟了。”
一些專家們認為，這一技術的問世可能預示著自我組裝家具時代的來臨。美國軟體開發商、參與4D技術開發的歐特克公司正在對此進行更進一步的研究。該公司首席研究專家卡洛·奧古恩稱：“想像一下這樣的場景，你在宜家買到一把椅子，然後把它放到你的屋子裡，關鍵的是，這把椅子會自我組裝。”
奧古恩說，4D列印概念的靈感來自於生物的自我複製能力。不過，該技術目前只能“列印”自動變形的條狀物體，其下一步的研究目標是“列印”片狀物體，然後才是結構更加複雜的物體。
最新研究
在2013年十月三十日，美研究人員開發4D列印技術加工新型複合材料。
美國科羅拉多大學博爾德分校的研究人員已成功在其列印技術中加入第四個維度，為在製造、封裝和生物醫學中套用的自適應複合材料的製造和使用帶來可能。
該研究團隊由科羅拉多大學博爾德分校機械工程學院副教授H.傑里奇領導，他和其合作夥伴——來自新加坡科技設計大學的馬丁·L·鄧恩一起，已經開發出4D列印方法，並對其進行了測試。這些研究人員將“形狀記憶”聚合纖維加入傳統3D列印使用的複合材料中，從而生產出在某一種形狀上的固定對象，而這一形狀稍後會轉化為一種新的形狀。
前科羅拉多大學博爾德分校機械工程學院成員鄧恩稱，“在此工作中，由3D列印創建最初配置，然後由形狀記憶纖維的編程行動創建與配置相關的時間——4D方面”。鄧恩對複合材料的力學和物理學研究已超過20餘年。
4D列印的概念最初由麻省理工學院斯凱勒·蒂比茨於2013年4月提出，允許材料“自我組裝”成3D結構。蒂比茨和其團隊將“智慧型”材料產生層與一股塑膠進行結合，該“智慧型”材料能在水中實現“自我組裝”。
鄧恩表示，“我們通過創建複合材料推進了這一概念發展，這些複合材料可基於一種不同物理機制變形為許多不同的複雜形狀。使用形狀記憶聚合物纖維生成複合材料所需的形狀變化的秘密在於，如何設計纖維的架構，包括其位置、方向和其他因素。”
科羅拉多大學博爾德分校團隊的這些成果刊登在上月的《套用物理快報》雜誌上。
傑里奇表示，“最吸引人的事情就是這些形狀在設計階段就被定義了，而這些在前幾年是不可能是實現的。”
該團隊對複合材料內纖維的方向和位置如何確定形狀記憶的影響程度進行了演示，如摺疊、捲曲、拉伸或扭曲。這些研究人員也演示了，通過對這些複合材料進行加熱或冷卻來控制這些影響的能力。
傑里奇稱，3D列印技術已經歷了30多年的發展歷程。這項技術21世紀才發展到此階段，即當目標受到熱和機械推力時，活性纖維可納入複合材料中，以便對其行為進行預知控制。
4D印表機這項技術可為各種套用帶來令人興奮的可能性。傑里奇表示，太陽能電池或類似產品可在功能性設備可很容易地安裝的平面配置中生產。隨後，它將被轉變為一個緊湊形狀用於封裝和運輸。在達到目的地後，該產品將會被激活以形成一種功能可最佳化的不同形狀。
資金支持
2013年十月早些時候，美國陸軍研究辦公室也宣布，他們已經授予某大學的三位研究人員85.5萬美元資金，用於開發4D材料，希望將這項技術變為現實。對可改變結構的汽車塗料以適應潮濕環境或鹼性道路，更好地保護汽車免受腐蝕；或可改變士兵偽裝的制服或更有效的防止有毒氣體或彈片接觸，一份新聞稿件對這些概念進行了調侃。
隨著3D列印技術的逐步成熟，擁有更多可列印的材料和在更大規模內的更高解析度，研究人員應幫助提供一種新方式，以在工程領域創建可逆或可調諧的3D曲面和實體，如用於汽車、飛機和天線的複雜形狀複合外殼。
套用領域
涉水航天領域
Tibbits表示，在他此次所做的演示以及後續研究中，強調的是材料如何“在想法中發生變化”的模式。他透露，項目組正在和美國國家航空航天局（NASA）展開接觸，就宇宙環境下壓力、溫度的變化，材料如何進行“結構變形”、“自行裝配”等構想進行深入研究，並將探討空間站建造中的一些套用課題。
他進一步表示，已在麻省理工學院設立“自行裝配”實驗室。該實驗室的近期目標將鎖定基礎設施，如橋樑建設、管道搭建等項目過程中的材料“自行裝配”前景；遠期目標將就可再生、可展開材料的程式性利用進行研究。
從TED大會的項目介紹中可以發現，Tibbits此次演示使用的複合材料是由美國科技企業Objet Connex提供，該企業為美國3D列印概念龍頭Stratasys(納斯達克交易代碼：SSYS)子公司；複合材料則是由知名美國軟體提供商歐特克(納斯達克交易代碼：ADSK）研發的軟體Cyborg對材料進行編程模擬。中國證券報記者查閱“自行裝配”實驗室贊助企業名單時發現，除歐特克為上市公司外，其餘七家均為非上市企業：Alliance Metals（不鏽鋼加工行業）、Anyline Laser Cutting（雷射切割行業）、Continental Signs（材料設計行業）、Quadrant EPP（塑膠加工行業）、Harbec Plastics（機器零件行業）、McNeel（3D軟體行業）以及TDM Solutions（CAD設計行業）。
上述企業基本主導了目前的4D列印產業鏈。除Tibbits在TED大會上的演示震驚全球外，其它相關企業股價近期表現得十分“淡定”。本周一，Stratasys發布了最新財報，股價當日上漲逾7%，截至周二收盤，該股股價為68.16美元，仍較今年1月創出的高點下跌近四分之一。在最新財報中，Stratasys“隻字未提”4D列印。歐特克公司股價則略微強勢，截至周二收盤，該股股價為39.34美元，自2月27日以來上漲8.67%。該股於2月25日發布了最新財報，對4D列印也是“隻字未提”
