2021年6月11日，国家航天局举行天问一号探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式，公布了由“祝融号”火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图。在“中国印迹”和“着巡合影”两张影像图中，鲜红方正的中国国旗清晰可见。这面国旗由哈工大冷劲松院士团队研制的形状记忆聚合物材料制成，可在火星低温、高辐射的恶劣环境下自主展开并保持状态稳定。

图源：国家航天局

形状记忆聚合物材料是现代智能材料的一种，智能材料在我们日常生活正在变得越来越普及，从变色太阳镜的变光镜片到尿不湿的吸水树脂，这种可以感知环境信息而发生相应变化的新材料因应用前景广泛而成为科研界的“宠儿”。

最近，英国皇家学会（Royal Society）对外宣布，其团队正在研发多种智能材料产品，包括可以随湿度变化而改变孔隙率的玻璃窗、可适应环境条件的服装以及自愈混凝土等。他们认为，智能材料最终将深刻影响生活各个领域，引发行业变革。

可自动折叠的玫瑰 

图源： Amir Zadpoor /TU Delft

提到智能材料，不能不提3D打印

智能材料在充分发挥其潜力之前首先要被制造成产品。在过去十年，很多研究人员一直在探索3D打印技术。这是快速成型技术的一种，又称增材制造。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前，该项技术已经被广泛应用在模具制造、工业设计等领域。小到珠宝、鞋类，大到汽车、航空航天设备零部件，甚至枪支制造都可以通过3D打印技术来实现。

“用3D打印技术生产智能材料被称为‘4D打印’。”这是美国麻省理工学院建筑师、计算机科学家Skylar Tibbits在2013年的TED演讲中创造的一个术语。他说，这里新增加的第四维度（dimension）指的是“时间”。

他认为，3D打印的东西会随着时间的推移而改变。如果将能够感知刺激并做出反应的能力预先编程到单个材料的设计中，那么将可以用来制造更为复杂、自主的系统。

“将3D打印机用于智能材料仍然具有这项技术打印静态物的原有优势，包括能够制作个性化、量身定制的材料，也包括制造超前创新的材料。”美国佐治亚理工学院的机械工程师Jerry Qi解释说，用商业制造方法制造智能材料几乎是不可能的，或者至少会非常麻烦。但是3D打印不一样，它的便利性加速了材料创新的速度。

“以前，要搞清如何制造一种全新的智能材料可能需要花上半年时间。而现在，研究人员使用3D打印技术可以只用几个小时就能完成。”他说。

目前，虽然研究人员已经通过4D打印开发出了了大量原型，但是因为其制造的智能材料尚未能投入实际商业使用。因此，4D打印仍处于发展的初级阶段。

Tibbits的早期设计之一是一双4D印花鞋。他的团队在拉伸的织物上打印了一个预先编程的聚合物油墨图案。当织物从拉伸状态恢复原状的时候，2D形状立即跳转为预期的3D形状。他还用同样的技巧制作过一张4D打印餐桌。该原型设计为平面包装，由聚合物和锯末组成的油墨被印在桌子表面。一旦打开包装，就会立即跳出3D形状。

SkylarTibbits：4D打印

来源：腾讯视频

4D打印还可以让我们大规模、超快速地打印高质量的产品。

Tibbits团队还曾与汽车制造商宝马（BMW）合作，开发了一种4D打印的弹性充气硅胶原型材料，具有可调刚度。这种智能材料可根据吸入的空气量改变形状，让汽车座椅变得更软或更硬，或提供更大的腰部支撑。

为了制造这种气动材料，Tibbits团队开发了一种新型的3D打印技术——快速液体打印。与大多数3D打印方法不同，快速液体打印不是逐层生成对象，而是将物体打印到一个装有凝胶的容器中，使其悬浮，不受重力影响。而油墨中含有聚合物，一旦暴露在紫外线下，就会快速固化。Tibbits说，快速液体打印克服了3D打印存在的尺寸限制和速度慢的缺点，让大规模、超快速打印高质量的产品成为可能。该小组目前正在探索将这种打印方法用于更多智能材料。

与专注于用4D打印制造生活产品的Tibbits不同，还有许多研究人员正专注于将其应用于生物医学领域。

当前，使用3D打印个性化医疗器具已经成为主流，比如助听器、假肢、手术植入用骨骼等。然而这些仍是静态物，进入人体后不能发生改变。然而，对于需要发生形状改变的器具，比如心脏支架等来说，4D打印则可以“大显身手”。

自20世纪90年代以来，可展开支架一直被用于治疗心脏病发作和心绞痛。这些由可膨胀金属网制成的圆柱体被引导穿过患者的血管。一旦到达正确的位置，狭窄金属丝末端的球囊就会充气，使网格膨胀以支撑血管壁让血流通过。

荷兰代尔夫特科技大学（Delft University of Technology）的生物工程师Amir Zadpoor和他的团队正在探索通过4D打印技术来制造新一代可调度支架。这种支架在体温下可以自我膨胀，因此无需球囊充气系统。它可以是标准尺寸，也可以针对复杂情况，比如两条血管分叉的连接处这种情况进行个性化定制。为了制造出圆柱体支架，该团队改造了打印机，增加了一个类似于滚动销的附加组件，让打印过程可以旋转，从而打印出旋转曲面。Zadpoor说，圆柱体体现在在直径上的膨胀而不是长度上的。

来源：Amir Zadpoor's lab

未来，该团队还希望使用4D打印技术生产新一代折纸状组织支架。这些结构支架可植入患者体内，以促进骨、肌肉、神经和其他组织的原位再生。因为，4D打印可以使金属晶格孔内的表面功能化。非常小的纳米几何图案装饰表面将引导细胞成为骨形成细胞，并起到减少细菌生长的作用。Zadpoor补充道，与血管支架不同的是，结构支架设计用于在制造过程中改变形状，而不是在体内。

在美国乔治华盛顿大学（the George Washington University），生物工程师Grace Zhang和她的团队也在使用4D打印技术来制造能够支持身体组织再生的工具——4D打印心脏贴片，来修复心脏病发作引起的心肌损伤。

心跳节律是由心肌细胞控制。长期以来，人们一直认为，实验室培养的心肌细胞可以修复受损的心脏。但问题是，心脏跳动时，培养细胞很难长期自主固定在其应该待在的位置上。该团队对4D心脏贴片进行预先编程，将其设计成在拉伸时可逆地改变结构，使其能够随着心脏一起膨胀和收缩，将心肌细胞安全地“贴”在心脏表面，而不需要任何胶水。

4D打印心脏贴片可以“自我卷曲”，更好地附着在器官表面 

图源：Science/AAAS

目前，并非所有从事4D打印的研究团队都在考虑“应用”环节。许多团队正在努力进行技术攻关。佐治亚理工学院Jerry Qi团队正致力于开发4D印刷材料与多层复合形状记忆聚合物。

他们使用了两种极性不匹配的聚合物，并严格控制其在每一层中的空间分布。这意味着，当材料浸泡在水或丙酮中时，一种聚合物比另一种聚合物膨胀更大。材料能以非常精确的方式弯曲。他们用于这项工作的打印机是定制的数字光处理（DLP）式3D打印机，其速度要比FDM打印机快得多。他最近还开发了一种机器学习模型，消除了材料图案设计中反复试验的需要，可以快速准确地根据所需最终产品形状的手绘生成复合材料图案。

浙江大学的聚合物化学家Tao Xie和他的团队也在使用定制的DLP 3D打印机来制造含有多种聚合物的智能材料。这是一个模块化过程，每个模块中有不同的聚合物。制作过程可以在不到一分钟内完成。

4D打印技术自其概念提出以来已迅速发展，允许对各种形状变化材料进行快速原型制作，但在其使用成为主流并能够在商业规模上生产智能材料之前，仍有一些障碍需要克服。

Tibbits说，首先是标准化问题。目前在4D打印领域，每个人的做法都不一样，不同的材料、机器和软件，不同的测试系统方式……需要有统一的共享标准。

此外，他认为，4D打印面临的最大挑战可能是“心态”：如何将活动材料整合到一个习惯于静态材料的世界中。“通常情况下，工程是要试图制造出不改变形状的结构，大多数材料都试图保持超稳定且不移动。然而4D打印完全相反，目标是使用尽可能活跃的材料。对此，我们还没有做好准备。”

参考文献：

1.https://www.chemistryworld.com/features/3d-printing-adds-another-dimension/4015622.article

2.http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6812123/content.html

3.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1702338824137092759&wfr=spider&for=pc