【儀器網 材料化工】在鳥山明的《龍珠》中出現過一種經典的科幻設定——萬能膠囊，只需要打開膠囊就可以變出汽車、飛機、房屋等交通與居住設備。這也成為漫畫讀者與動畫觀眾想要的道具之一。萬能膠囊的原理大致上是將物體粒子化之后進行壓縮，使之變成膠囊的形狀，然后在使用時進行還原。雖然這是現實中無法實現的黑科技，但是現代材料學的發展正在讓萬能膠囊以另一種可行的方式還原出來。
去年十月《美國科學院院刊》刊載了一項關于4D打印材料的研究成果。來自麻省理工學院的研究團隊成功制備出新型4D材料，可以從點陣網狀的扁平結構變成諸如人臉的復雜3D結構。網孔薄板各部分伸展彎曲的不同速率讓薄板還原出人臉的形狀。相對之前研究者只能使材料變形成簡單的立體結構，這已經是巨大的進步。
4D打印在2013年就已經被提出，其定義為“智能材料或結構在打印完成后，在外界刺激(如溫度，濕度與光照等)下，其形狀、性質和功能隨著時間發生特定的演變。”傳統3D打印技術打印出來的材料是結構穩定不會發生改變的，而4D打印技術制造的材料可以在條件滿足時自發轉變為預先設計好的形狀。
在簡單的折疊、卷曲的變化上，4D打印已經可以做到靈活的可逆變化，例如4D打印出的經過設計的片狀材料在受熱后可以像折紙一樣自折疊成玫瑰花、小船、兔子等形狀。僅從這一簡單應用出發，就可以用來制作可變形的簡易家具，平時可以平放節約空間，需要時再折疊成形。
但是僅靠折疊、卷曲有一個無法解決的問題——如何讓平面材料變成像球面那樣的三維曲面。麻省理工學院的研究團隊采用的方法是用網狀結構代替薄型平板。網狀結構中間的空隙讓材料可以很容易適應材料表面的曲率變化，就像是一張紙想要包裹住一顆球時必然會出現褶皺，但網卻不會。通過這一設計，工程師們解決了材料的曲率變化問題，也為4D打印材料開辟了更廣闊的應用空間。
4D打印材料大優勢在于可變性，4D材料的應用也集中在這一方面。在生物醫藥領域，可變形材料為微創植入提供了可能。在手術前將植入器件體積減少到小，等植入后在對器件施加影響使其恢復為需要的形狀，這樣就可以將傷口面積減少到小。在電子領域，4D材料在特定條件下的變形可以讓電子元件更加智能化，例如當溫度變化時，電子元件變形改變電路閉合狀態從而對整個系統產生影響。此外，在航空航天、軟體機器人、國防工程等諸多領域都有很大的應用前景。
而在生活中，可變形材料也讓“萬能膠囊”成為可能，生活用品可以設計成折疊狀態方便攜帶，當需要使用時觸發變形條件，讓材料自動展開組裝。雖然做不到漫畫中那樣神奇，但也可以為我們的生活帶來極大的便利。
目前4D打印技術尚在起步階段，4D打印材料的應用也還遠未到投入實用的程度。但我們可以期待，隨著研究的逐漸深入，4D打印技術將對人類社會帶來多大的改變。
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