3D打印+自动组装 4D打印充满无限活力

3D打印，这个已经发展超过20年的技术，最近两年突然成为热得发烫的名词。它已经从极客(技术狂人)在实验室里的玩具，进入正儿八经的制造业。而它的身后，4D打印也要来了。

3D的意思我们都懂，就是三维立体。3D打印直观上的解释就是打印出一件立体的东西。4D呢?三维再加一维。这一维可以是很多东西，通常指的是时间。问题是，时间看不见、摸不着，如果一切都没什么变化，你甚至无法感知时间。所以当我们谈时间时，谈的其实是变化。关于时间的恰当解释是：宏观上物质状态不断变化的过程。

那么，4D打印的意思就是先用复合材料进行3D打印，对于打印出来的物品，我们赋予它一种新的能力—这就是变化。这是4D打印概念的提出者、美国麻省理工学院的研究科学家斯凯拉·蒂比茨(SkylarTibbits)给出的解释。

3D打印+自组装=4D打印

在今年早些时候的一次美国TED(技术·娱乐·设计)演讲中，蒂比茨首次提出4D打印概念。他说的变化能力，叫做自组装(Self-Assemble)，也就是物体不经过人为控制，自动变成预先设计好的形态。不过，光有概念是无法打动人心的，到底他说的自组装是什么意思?3D打印出来的物品究竟会怎样自组装呢?

在演讲中，蒂比茨演示了两个已有的4D打印成果，帮助观众理解自组装是怎么回事。第一个是脊髓灰质炎病毒的模型。该模型放在瓶子里，蒂比茨晃动瓶子，剧烈的震动让“病毒”散架了。但当他停止晃动时，神奇的事情发生了，本来已经散架的模型又慢慢回到原来的样子。

可能有人要问：不是说好无人干扰吗?晃动瓶子可不算啊。好吧，说的也在理儿，但恢复成蛋白质结构时确实没有人为干扰。蒂比茨接下来给出的一个例子或许更有说服力—这是一条看起来像链子的东西。把链子放进水里后，它变成了连在一起的“MIT”字母形状，也就是麻省理工学院(蒂比茨所任职大学)的英文缩写。另一个演示是把链子浸在水缸里，它自动折叠成了一个三维立方体。这些过程没有任何人为干扰，这条链子自发变成了一个人为设计的形态。显然，它肯定经过事先的“编程”处理。

对于这种“编程”，蒂比茨没有在演讲中透露更多细节，但从他的例子中我们可以得出一些基本结论：为了完成自组装，我们首先需要特殊的材料。这种材料很可能是纳米级别，它对某种外界影响非常敏感，比如重力、压力、热量、磁性或者水之类的具体物质，再通过模拟程序，演算出现实环境中材料的变化情况，以此调整材料的组成和结构。于是当它遇到敏感源时，就能与之互动，最终变成事先设计好的形态。

目前，4D打印还是一个概念，并且这个概念并不新。实际上它的核心技术—“自组装”，在自然界里随处可见。DNA(脱氧核糖核酸)复制、RNA(核糖核酸)转录、合成蛋白质，这些生命的延续过程，实际上都是自组装，而且非常精密，和计算机有得一拼，远不是目前纳米材料的特性所能比的。

先让水管智能起来

在TED发布4D打印的演讲视频后，很多人在讨论自组装的技术原理是什么，但更多的人可能会说：“一根自动变成MIT字母的链子?嗯，这听起来很酷。但，它能帮我干什么呢?”只需要想象一下，你从“宜家”买回一把椅子(我们都知道那其实是一堆零件)，当你拆开包裹后，它就开始自己组装，然后慢慢变成一把真正能让你坐上去的椅子。而整个过程，你只需要当一名合格的观众，站在一旁观赏即可。

当然现实还没发展到这一步。目前蒂比茨的计划是与波士顿的Geosyntec公司合作，开发一种新型水管。这种水管可以根据水流变化自发膨胀或者收缩，改变流量，甚至可以通过蠕动来推动水流。这意味着，它可能不需要管道疏通，也无需水泵或者阀门，这是一个完全可程序化和自我调节的水管。想想现实中那些脆弱的管子吧，如果能让它们不那么容易出状况，就足够让人兴奋了。

3D打印目前相比传统制造技术，并无特别巨大的优势。但在极端环境下，我们现有的制造技术则劣势明显。它所需的设备可能过于庞大、危险、昂贵或太过复杂，而升级到4D打印技术就会有明显的好处。太空就是一个很好的例子，传统制造技术在太空中极难发挥应有的功效，但那里却是自组装技术的好舞台。无重力是一个很好的激活环境。蒂比茨声称自己正在针对太空环境设计可以自组装成型的结构，进而转化成各种功能强大的系统。

如果我们想得更远，会发现自组装技术会让物流成本直线下降。“宜家”每次都寄一堆零件让我们自己组装，原因就是这样节省运输成本，并且在运输过程中货物不易损坏。但如果货物都实现了自组装，它们就可以非常规则地装箱，甚至就是一块平板。这时体积就不再是限制，集装箱可以成倍输送货物。结果就是快递费大减，这可能远比制造业革命更让普通消费者关心。再远一点，钢铁侠的变形盔甲?终结者里的液态机器人?好吧，有点想太多了。