4d打印概念，4d打印概念是谁提出来的
4d打印概念，4d打印概念是谁提出来的
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导读
目前，3D打印技术方兴未艾，在模具制造，产品设计，生物医疗等诸多领域产生了巨大的经济效益。如果说3D打印是“聚沙成塔”，将离散的材料借助计算机辅助设计连接成具有特定形状和功能的整体；那么，通过引入具有特定性质的材料进行增材制造，则有可能为具有精巧结构的部件赋予随时间变形的能力，使它们变得“能屈能伸”，这就是以时间为第四维度的4D打印技术。本文将从发展背景和基本原理方面对4D打印的概念和分类做简单介绍，并对其应用前景做简单讨论。
本文共约3600字，阅读需要7分钟。
作者简介
赵若时，清华大学材料学院2019级直博生，研究方向为结构陶瓷与陶瓷3D打印。
张文强，香港城市大学机械工程系在读博士生，研究方向为3D打印力学超材料。
# PART 01
什么是4D打印？
下图中这朵摇曳的“花”并不是动画*，而是由哈佛大学研究者通过神奇的4D打印技术用水凝胶材料所打印出的真实模型。[1]经过预先的结构变形程序设计，这朵“花”的花瓣便能够随着环境变化自如收放。其实，4D打印技术并不神秘，它本质上就是我们大家所熟悉的3D打印技术，加上特定的材料与拓扑结构设计；而之所以被称作“4D打印”，正是因为这样直接制造出的三维结构在成型结束后，依然能够在环境作用下随时间发生可设计的形状改变——时间，就是“4D打印”的第四个维度。
图1 4D打印模型 图源：https://3dprintingindustry.com/news/65379-65379/
2013年，美国学者Skylark Tibbits在一场名为The emergence of “4D printing”的TED演讲中*提出了4D打印的概念：复杂的3D打印结构能随着时间的推移改变自己的构型。第一篇3D打印论文于2013年发表在《Applied Physical Letters》，文中报道了温度控制结构的变形的3D打印结构，该结构是用具有形状记忆功能的PAC（聚合氯化铝）采用SLA技术制备的[2]。近年来，有关4D打印的研究一直吸引着智能材料及增材制造领域的密切关注，并得到了飞速的发展，而其概念也随着研究的深入而不断充实。一般意义上，4D打印可以简单理解为“3D+时间”；广义上，除了形状变化外，3D打印的复杂形状响应外界刺激从而产生性能、功能变化都可以被称为4D打印，外界刺激作用场则主要包括热、磁、光、湿度、pH等等。4D打印技术的核心在于可编程、可设计的，特定条件下可随时间变化的结构，而它的实现离不开两个重要基础：成熟的增材制造技术（即我们熟悉的3D打印），和符合4D打印功能要求的智能材料（往往是具有形状记忆效应的材料）。
增材制造技术（以下简称3D打印）对于我们而言已并不陌生，它通过逐点逐线扫描、层层叠加的制造逻辑将离散的原材料连接成为三维整体，结合计算机辅助结构设计，能够直接制造出各种复杂的几何结构，并能够*化地节省原料、减少后续加工。从成型原理角度分类，目前常用的3D打印技术主要包括主要用于聚合物材料的光固化成型（Stereolithography, SLA）、熔融沉积成型（Fuse Deposition Modelling, FDM）、墨水直写成型（Direct Ink Writing, DIW）等，以及常用于金属材料的选区激光熔化/烧结成型（Selective Laser Melting/Sintering, SLM/SLS）等等。历经数十年的发展，它如今已经能够成熟地实现金属、聚合物和陶瓷的复杂精细结构的成型制造，并在航空航天、生物医疗、机械电子、工业设计、文化教育等诸多领域都得到了应用。[3]然而，随着应用领域需求的不断拓展，传统3D打印所制造出的静态结构或部件的功能可设计性也呈现出了一定的有限性。举例而言，从微观到宏观尺度的自折叠结构智能器件，在生物医药、航空航天等领域被认为具有良好的应用前景，却难以通过传统材料3D打印来实现。自然而然地，科学家们联想到了将具有形状记忆效应的智能材料、自愈合材料或是具有特殊拓扑结构设计的“超材料”（Metamaterials）等，与3D打印技术相结合，发挥材料功能性与结构设计性的*优势，为传统3D打印技术插上时间维度可设计性的翅膀——可以说，4D打印的出现丰富了3D打印技术的潜能与生命力。[4, 5]
图2 4D打印成型技术、材料与外作用场的关系[5]
# PART 02
不同响应场的作用机制举例
2.1 热响应材料4D打印
热响应材料的4D打印的材料和工艺相对成熟，热响应材料都是基于材料的相变或者玻璃化转变，对应于相变温度Tm或者玻璃化转变温度Tg。在4D打印中，材料在相变温度或者玻璃化转变温度之上通过3D打印的材料进行成型，然后在相变温度以下施加外力变形，进行二次构型，这时的形貌是临时形貌。临时形貌能在相变温度之下一直保持。当温度恢复至相变温度之上时，形状又恢复打印时的形状。目前可用于3D打印的热响应的材料比较广泛，形状记忆材料、水凝胶、液晶弹性体等，形状记忆材料的工艺比较成熟。其中最经典的例子就是3D打印的埃菲尔铁塔模型在特定温度下的变形[6]。
图2 变形的埃菲尔铁塔[6]
2.2 水响应材料4D打印
水响应的材料，一般是遇水膨胀的材料。这种材料并不罕见，比如食用的大豆，“水宝宝”和“尿不湿”的吸水层。科研工作者利用这些常见材料，实现了3D打印结构在水下的变形。单一材料的膨胀率都是相同的，如果单一膨胀率的材料打印的结构的在水中只是简单的“放大”和“缩小”，将两种在水中膨胀率不同的材料结合在一起，才可以实现弯曲变形。绝大多数的水响应4D打印是多材料的打印，此时3D打印机就像一台缝纫机，将两种或者多种材料按照特定的方式编织在一起，不同的材料排列方式，弯曲方向不同，可以实现复杂的变形。
图3 不同膨胀率的材料在水中的弯曲变形[7]
相同材料也能够实现4D打印，*学术期刊《Nature Materials》于2018年报道了这一工作[1]。研究人员利用纳米纤维加入到溶液中，调制出了一种可用于DIW打印工艺的特殊浆料，该浆料在通过喷嘴的时候表现剪切稀化，纤维会沿挤出方向重新排列。固化的浆料表现出各向异性：垂直于挤出方向的膨胀率高于平行于挤出方向的，同种材料产生了不同的膨胀率，通过墨水直写的方式打印出双层结构，就可实现复杂的变形。
图4 定向排列的纳米纤维轴向和径向膨胀率不同，造成了同种材料不同的膨胀率[1]
2.3 磁响应的4D打印
响应磁场4D是通过在打印材料上掺杂磁铁颗粒实现，这些磁颗粒在磁场中受力驱动整体结构变形。为了使3D打印的机构在磁场下产生较大的变形，打印材料一般选用很柔的材料，比如石墨烯，PDMS。但是在磁场下，整体的结构却十分“有力”。比如磁颗粒掺杂的PDMS机械手能都抓起超出自身重1000倍的物体[1]，这是由于磁颗粒之间相互产生了磁力，使整体结构的刚度增加。2018 学术期刊《Science Advanced》报道了4D打印的力学超材料，研究人员先用3D打印机打印出中空的高分子外壳，然后填充磁流体（Magnetorheological fulid）。磁流体会在磁场下磁化，产生相互作用力，使整体结在不同磁场下表现不同的刚度，实现了力学性能随外界的响应[8]。
图5 响应磁场的力学超材料[8]
2.4 陶瓷材料的4D打印
绝大多数的4D打印技术基于高分子材料，很少有陶瓷的4D打印的报道。这是因为陶瓷的3D技术采用陶瓷浆料或者陶瓷前驱体，成型后很再难产生大变形。香港城市大学的吕坚教授带领团队，另辟蹊径，*实现了陶瓷的4D打印。该项成果发表在*的学术期刊《Science Advances》[9]。不同于传统的陶瓷浆料或者前驱体，该团队将纳米级别的陶瓷颗粒和高分子弹性体（dimethylsiloxane）均匀的混合，这种陶瓷复合弹性体弹性十足，拉伸200%后可以复原。研究人员通过墨水直写（direct ink writing）的方式打印出预设的图案。陶瓷的4D打印分为两部分：主体结构和基底。研究人员通过对基底施加预应力，并且将基底和主体结构连接；释放基底应力后，主体结构随之产生变形。这种通过预应力变形的特殊结构必须通过高温烧结才能产生获得最终的陶瓷制品。陶瓷4D打印技术在获得复杂曲面有着得天独厚的的优势，加上陶瓷本身的防电磁屏蔽性能，耐蚀性，陶瓷4D打印有望在5G时代大显身手。
# PART 03
前景展望
图6 4D打印技术的未来发展需求及应用[4]
目前而言，4D打印技术作为一个年轻的研究领域，已报道的多数研究尚处于探索阶段，与真正投入实际的生产应用还存在一定的距离。在未来，4D打印的进一步发展则有赖于多个学科领域的技术发展与深入研究：第一，跨尺度复杂结构的功能材料或器件的快速制备仍有赖于高精度、高打印速度、多材料体系的3D打印技术的发展；第二，适合于4D打印成型的新型多功能墨水材料有待进一步开发；第三，需要建立系统的理论模型和设计方法以精确地预测和优化4D打印部件的拓扑形状改变。而不可否认的是，这项新技术已经向我们展示出其在诸多领域的巨大应用潜力，如智能设备、智能包裹、自折叠材料、超材料、生物医药工程等领域[4, 5]。以下举出两个例子作简单的展开介绍：
（1）柔性机器人
柔性机器人是目前4D打印应用聚焦的核心领域之一。形状记忆材料的可编程特性意味着我们可以将材料打印成为具有可驱动能力的器件。例如，在高海拔、外太空、洪水、冰雪等极端复杂环境中，只要找到适当的结构设计和刺激响应方式，就有可能设计这类材料模仿生物体在环境中的响应方式，制备出具有各种功能的可编程智能柔性机器人[5]。
（2）生物医疗
生物医用材料的增材制造近年来发展迅速，因此，诸如形状记忆合金、聚合物、水凝胶等生物相关材料在定制和个性化制造方面的优势，使得4D生物打印在生物医学应用中表现出巨大的潜力。例如，可以通过4D打印来实现量身定制的缝合线、血管修复装置等，也可利用4D打印技术进行动态生物医学设备的开发，这些设备可用于药物输送、电子皮肤、和仿生机器人等场景，以模仿生物系统（如复杂的人造肌肉）中的应用[4,5]。
参考文献
[1]Gladman A S, Matsumoto E A, Nuzzo R G, et al. Biomimetic 4D printing[J]. Nat Mater, 2016, 15(4): 413-8.
[2]Ge Q, Qi H J and Dunn M L. Active materials by four-dimension printing[J]. Applied Physics Letters, 2013, 103(13): 131901.
[3]Ngo T D, Kashani A, Imbalzano G, et al. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges[J]. Composites Part B: Engineering, 2018, 143: 172-196.
[4]Kuang X, Roach D J, Wu J, et al. Advances in 4D Printing: Materials and Applications[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 29(2): 1805290.
[5]Ryan K R, Down M P and Banks C E. Future of additive manufacturing: Overview of 4D and 3D printed smart and advanced materials and their applications[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 403.
[6]Ge Q, Sakhaei A H, Lee H, et al. Multimaterial 4D printing with tailorable shape memory polymers[J]. Scientific reports, 2016, 6(1): 1-11.
[7]Tibbits S. 4D printing: multi‐material shape change[J]. Architectural Design, 2014, 84(1): 116-121.
[8]Jackson J A, Messner M C, Dudukovic N A, et al. Field responsive mechanical metamaterials[J]. Science advances, 2018, 4(12): eaau6419.
[9]Liu G, Zhao Y, Wu G, et al. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures[J]. Science advances, 2018, 4(8): eaat0641.
文稿｜赵若时 张文强
排版｜赵若时 于亿航
编辑｜寇方铖 危 琨
审核｜张可人
探臻科技评论
原文标题：从“聚沙成塔”到“能屈能伸”：增材制造与4D打印
财联社7月29日
7月29日，华融证券在债券“20华融G1（163373.SH）”发布公告称，公司名称由华融证券股份有限公司变更为国新证券股份有限公司，公司于当日在北京市市场监管局完成工商变更登记手续，涉及的债券名称、简称及代码均不会发生变更。
公司表示，目前公司经营正常，公司名称变更未对公司日常管理、生产经营及偿债能力产生重大不利影响。公司始终以负责任态度认真履行债务偿付义务，均已如期足额兑付到期债券。与此同时，公司目前资金状况良好，对存续债券本息兑付已做出妥善安排和充足准备。
华融证券是今年来第2家更名券商，此前有新时代证券更名为“诚通证券”，近年来已有10余家券商更名。市场有猜测称今年第三家更名券商将是网信证券，或将更名为“指南针证券”。这源于上市公司指南针对网信证券大动作不断，包括花费15亿元“买下”网信证券，以及网信证券高管“大换血”，新变更的7人高管团队，其中包括董事长兼总经理宋成等3人在内均为指南针高管。
对于券商更名的原因，比较普遍观点认为，并购重组后新股东更方便整合，对原有券商名字进行变更后纳入自身体系，便于管理，此外也被认为是中小券商谋求业务转型的一项举措。
国新资本109亿拿下华融证券控制权
华融证券更名始于一个月之前，彼时国新资本109亿成功拿下华融证券控制权。
今年6月23日，中国华融在港交所公告称，华融证券于当日收到证监会出具的关于核准华融证券变更主要股东、实际控制人的批复，核准国新资本成为华融证券主要股东，核准中国国新控股有限责任公司成为华融证券实际控制人，对国新资本依法受让华融证券42.05亿股股份（占股份总数71.99%）无异议。
转让完成后，中国华融将不再拥有华融证券任何权益，华融证券也不再纳入中国华融合并财务报表。
实际上，中国华融清仓华融证券股权的计划要更早一些。
去年12月，中国华融正式启动华融证券股权转让计划，拟在北京金融资产交易所挂出华融证券71.99%股权转让项目，标的股权价格为109.3亿元。
今年1月27日，中国华融公告，公司与国新资本签署国有产权交易合同，以109.3亿元转让华融证券股权。
华融证券2021年年报显示，除中国华融外，华融证券前五大股东分别是广州产业控股集团（持股10.24%）、葛洲坝集团（持股4.07%）、禾元控股（持股2.54%）、湖南出版投资集团（持股1.71%）。
公开资料显示，此次接棒华融证券的国新资本成立于2014年8月20日，注册地为北京，注册资本为100亿元。国新资本为国新控股旗下的央企金融服务平台，国新控股是受国务院国资委监管央企，2016年被明确为国有资本运营公司试点企业。
国新控股此前在官网发文，透露出华融证券未来的发展计划。
国新控股表示，将把证券业务作为更好发挥运营公司功能作用的重要抓手，通过与基金投资、资产管理、股权运作等现有业务协同，助力中央企业深化供给侧结构性改革，增强资本流动性和提高回报。
中证协披露的2021年证券公司经营业绩排名显示，在106家券商排名中，华融证券以395.32亿元的总资产排名第54位，营收和净利润的排名分别位88名和74名，主营业务中资管业务排名最靠前，位居第35位，证券投资业务则亏损2.05亿元。从历年表现的纵向来看，华融证券2021年实现扭亏为盈，公司去年实现净利润1.81亿元。
最近“新券商”有点多
有市场人士笑称，“最近‘新券商’有点多”，此前已有新时代证券更名为诚通证券，而上市公司指南针花费15亿元“买下”的网信证券，是否会被更名，也颇值得期待。
天眼查显示，今年6月2日，新时代证券正式更名为诚通证券，公司董监高已基本就位。
新时代证券的更名，最早源于其被股权接管。
2020年7月17日，因新时代证券隐瞒实际控制人和持股比例，公司治理失衡，证监会依法对新时代证券实行接管并对外公告，接管期为1年。不过在2021年7月接管期即将结束之时，证监会再次决定延长接管期限至2022年7月16日。
去年，中国诚通收购新时代证券98.24%的股权，双方于去年12月14日签署《产权交易合同》。
3月24日，证监会依法核准中国诚通成为新时代证券主要股东、融通基金管实际控制人。中国诚通依法受让新时代证券28.59亿股股份（持股比例98.24%），实际控制人变更为国务院国有资产监督管理委员会。
4月11日，新时代证券完成本次股权转让的公司章程变更工商备案工作。
下一个是“指南针证券”？
网信证券被市场笃定其可能更名为“指南针证券”，则与指南针近期对网信证券的连续不断的大动作有关。
今年2月，指南针被确定为网信证券重整投资人，花费15亿元“买下”网信证券。
7月27日，指南针发布的公告显示，网信证券***股权已变更登记至名下，同时已按约定以自筹资金5亿元先行增资网信证券。
指南针此前公告显示，网信证券于7月21日取得沈阳市沈河区市场监督管理局核发的《登记通知书》及新《营业执照》，网信证券***股权已变更登记至公司名下，标的资产已完成过户登记，公司与网信证券签订的《网信证券有限责任公司增资协议》已生效。
网信证券高管“大换血”，也在同步进行中。
国家企业信用信息公示系统显示，7月25日，网信证券*管理人员备案发生变更，原10人的高管团队退出，变更为7人组成的高管团队。其中，宋成任董事长兼经理，监事为周洁和朱曦，董事为孙鸣、金小兵、冷晓翔、张树忠。
网信证券新上任的7人高管团队中的3位为指南针高管，董事长兼总经理宋成于2021年8月加入指南针，2022年6月正式加入网信证券；董事孙鸣是指南针公司发起人之一，是指南针软件程序的主创人员，现任指南针董秘；董事冷晓翔现任指南针总经理，监事朱曦则同时担任指南针监事。
更早一些时间，更名的券商不在少数，如“财富证券”变更为“财信证券”，“中投证券”变更为“中金财富”，“联讯证券”变更为“粤开证券”，“民族证券”变更为“方正证券承销保荐有限责任公司”，“广州证券”变更为“中信证券华南股份有限公司”等，合资券商因外资持股比例变化而更名的券商也不在少数，如高盛高华证券更名为高盛（中国），摩根士丹利华鑫证券更名为摩根士丹利证券（中国），瑞信方正证券更名瑞信证券等。
有行业人士分析认为，券商更名的原因主要是，并购重组后新股东更方便整合，对原有券商名字进行变更后纳入自身体系，便于管理。
一位华东地区券商人士认为，券商更名，不仅仅是股权结构变化、控股股东更迭，更体现出中小券商谋求业务转型的一项举措。
导读
目前，3D打印技术方兴未艾，在模具制造，产品设计，生物医疗等诸多领域产生了巨大的经济效益。如果说3D打印是“聚沙成塔”，将离散的材料借助计算机辅助设计连接成具有特定形状和功能的整体；那么，通过引入具有特定性质的材料进行增材制造，则有可能为具有精巧结构的部件赋予随时间变形的能力，使它们变得“能屈能伸”，这就是以时间为第四维度的4D打印技术。本文将从发展背景和基本原理方面对4D打印的概念和分类做简单介绍，并对其应用前景做简单讨论。
本文共约3600字，阅读需要7分钟。
作者简介
赵若时，清华大学材料学院2019级直博生，研究方向为结构陶瓷与陶瓷3D打印。
张文强，香港城市大学机械工程系在读博士生，研究方向为3D打印力学超材料。
# PART 01
什么是4D打印？
下图中这朵摇曳的“花”并不是动画*，而是由哈佛大学研究者通过神奇的4D打印技术用水凝胶材料所打印出的真实模型。[1]经过预先的结构变形程序设计，这朵“花”的花瓣便能够随着环境变化自如收放。其实，4D打印技术并不神秘，它本质上就是我们大家所熟悉的3D打印技术，加上特定的材料与拓扑结构设计；而之所以被称作“4D打印”，正是因为这样直接制造出的三维结构在成型结束后，依然能够在环境作用下随时间发生可设计的形状改变——时间，就是“4D打印”的第四个维度。
图1 4D打印模型 图源：https://3dprintingindustry.com/news/65379-65379/
2013年，美国学者Skylark Tibbits在一场名为The emergence of “4D printing”的TED演讲中*提出了4D打印的概念：复杂的3D打印结构能随着时间的推移改变自己的构型。第一篇3D打印论文于2013年发表在《Applied Physical Letters》，文中报道了温度控制结构的变形的3D打印结构，该结构是用具有形状记忆功能的PAC（聚合氯化铝）采用SLA技术制备的[2]。近年来，有关4D打印的研究一直吸引着智能材料及增材制造领域的密切关注，并得到了飞速的发展，而其概念也随着研究的深入而不断充实。一般意义上，4D打印可以简单理解为“3D+时间”；广义上，除了形状变化外，3D打印的复杂形状响应外界刺激从而产生性能、功能变化都可以被称为4D打印，外界刺激作用场则主要包括热、磁、光、湿度、pH等等。4D打印技术的核心在于可编程、可设计的，特定条件下可随时间变化的结构，而它的实现离不开两个重要基础：成熟的增材制造技术（即我们熟悉的3D打印），和符合4D打印功能要求的智能材料（往往是具有形状记忆效应的材料）。
增材制造技术（以下简称3D打印）对于我们而言已并不陌生，它通过逐点逐线扫描、层层叠加的制造逻辑将离散的原材料连接成为三维整体，结合计算机辅助结构设计，能够直接制造出各种复杂的几何结构，并能够*化地节省原料、减少后续加工。从成型原理角度分类，目前常用的3D打印技术主要包括主要用于聚合物材料的光固化成型（Stereolithography, SLA）、熔融沉积成型（Fuse Deposition Modelling, FDM）、墨水直写成型（Direct Ink Writing, DIW）等，以及常用于金属材料的选区激光熔化/烧结成型（Selective Laser Melting/Sintering, SLM/SLS）等等。历经数十年的发展，它如今已经能够成熟地实现金属、聚合物和陶瓷的复杂精细结构的成型制造，并在航空航天、生物医疗、机械电子、工业设计、文化教育等诸多领域都得到了应用。[3]然而，随着应用领域需求的不断拓展，传统3D打印所制造出的静态结构或部件的功能可设计性也呈现出了一定的有限性。举例而言，从微观到宏观尺度的自折叠结构智能器件，在生物医药、航空航天等领域被认为具有良好的应用前景，却难以通过传统材料3D打印来实现。自然而然地，科学家们联想到了将具有形状记忆效应的智能材料、自愈合材料或是具有特殊拓扑结构设计的“超材料”（Metamaterials）等，与3D打印技术相结合，发挥材料功能性与结构设计性的*优势，为传统3D打印技术插上时间维度可设计性的翅膀——可以说，4D打印的出现丰富了3D打印技术的潜能与生命力。[4, 5]
图2 4D打印成型技术、材料与外作用场的关系[5]
# PART 02
不同响应场的作用机制举例
2.1 热响应材料4D打印
热响应材料的4D打印的材料和工艺相对成熟，热响应材料都是基于材料的相变或者玻璃化转变，对应于相变温度Tm或者玻璃化转变温度Tg。在4D打印中，材料在相变温度或者玻璃化转变温度之上通过3D打印的材料进行成型，然后在相变温度以下施加外力变形，进行二次构型，这时的形貌是临时形貌。临时形貌能在相变温度之下一直保持。当温度恢复至相变温度之上时，形状又恢复打印时的形状。目前可用于3D打印的热响应的材料比较广泛，形状记忆材料、水凝胶、液晶弹性体等，形状记忆材料的工艺比较成熟。其中最经典的例子就是3D打印的埃菲尔铁塔模型在特定温度下的变形[6]。
图2 变形的埃菲尔铁塔[6]
2.2 水响应材料4D打印
水响应的材料，一般是遇水膨胀的材料。这种材料并不罕见，比如食用的大豆，“水宝宝”和“尿不湿”的吸水层。科研工作者利用这些常见材料，实现了3D打印结构在水下的变形。单一材料的膨胀率都是相同的，如果单一膨胀率的材料打印的结构的在水中只是简单的“放大”和“缩小”，将两种在水中膨胀率不同的材料结合在一起，才可以实现弯曲变形。绝大多数的水响应4D打印是多材料的打印，此时3D打印机就像一台缝纫机，将两种或者多种材料按照特定的方式编织在一起，不同的材料排列方式，弯曲方向不同，可以实现复杂的变形。
图3 不同膨胀率的材料在水中的弯曲变形[7]
相同材料也能够实现4D打印，*学术期刊《Nature Materials》于2018年报道了这一工作[1]。研究人员利用纳米纤维加入到溶液中，调制出了一种可用于DIW打印工艺的特殊浆料，该浆料在通过喷嘴的时候表现剪切稀化，纤维会沿挤出方向重新排列。固化的浆料表现出各向异性：垂直于挤出方向的膨胀率高于平行于挤出方向的，同种材料产生了不同的膨胀率，通过墨水直写的方式打印出双层结构，就可实现复杂的变形。
图4 定向排列的纳米纤维轴向和径向膨胀率不同，造成了同种材料不同的膨胀率[1]
2.3 磁响应的4D打印
响应磁场4D是通过在打印材料上掺杂磁铁颗粒实现，这些磁颗粒在磁场中受力驱动整体结构变形。为了使3D打印的机构在磁场下产生较大的变形，打印材料一般选用很柔的材料，比如石墨烯，PDMS。但是在磁场下，整体的结构却十分“有力”。比如磁颗粒掺杂的PDMS机械手能都抓起超出自身重1000倍的物体[1]，这是由于磁颗粒之间相互产生了磁力，使整体结构的刚度增加。2018 学术期刊《Science Advanced》报道了4D打印的力学超材料，研究人员先用3D打印机打印出中空的高分子外壳，然后填充磁流体（Magnetorheological fulid）。磁流体会在磁场下磁化，产生相互作用力，使整体结在不同磁场下表现不同的刚度，实现了力学性能随外界的响应[8]。
图5 响应磁场的力学超材料[8]
2.4 陶瓷材料的4D打印
绝大多数的4D打印技术基于高分子材料，很少有陶瓷的4D打印的报道。这是因为陶瓷的3D技术采用陶瓷浆料或者陶瓷前驱体，成型后很再难产生大变形。香港城市大学的吕坚教授带领团队，另辟蹊径，*实现了陶瓷的4D打印。该项成果发表在*的学术期刊《Science Advances》[9]。不同于传统的陶瓷浆料或者前驱体，该团队将纳米级别的陶瓷颗粒和高分子弹性体（dimethylsiloxane）均匀的混合，这种陶瓷复合弹性体弹性十足，拉伸200%后可以复原。研究人员通过墨水直写（direct ink writing）的方式打印出预设的图案。陶瓷的4D打印分为两部分：主体结构和基底。研究人员通过对基底施加预应力，并且将基底和主体结构连接；释放基底应力后，主体结构随之产生变形。这种通过预应力变形的特殊结构必须通过高温烧结才能产生获得最终的陶瓷制品。陶瓷4D打印技术在获得复杂曲面有着得天独厚的的优势，加上陶瓷本身的防电磁屏蔽性能，耐蚀性，陶瓷4D打印有望在5G时代大显身手。
# PART 03
前景展望
图6 4D打印技术的未来发展需求及应用[4]
目前而言，4D打印技术作为一个年轻的研究领域，已报道的多数研究尚处于探索阶段，与真正投入实际的生产应用还存在一定的距离。在未来，4D打印的进一步发展则有赖于多个学科领域的技术发展与深入研究：第一，跨尺度复杂结构的功能材料或器件的快速制备仍有赖于高精度、高打印速度、多材料体系的3D打印技术的发展；第二，适合于4D打印成型的新型多功能墨水材料有待进一步开发；第三，需要建立系统的理论模型和设计方法以精确地预测和优化4D打印部件的拓扑形状改变。而不可否认的是，这项新技术已经向我们展示出其在诸多领域的巨大应用潜力，如智能设备、智能包裹、自折叠材料、超材料、生物医药工程等领域[4, 5]。以下举出两个例子作简单的展开介绍：
（1）柔性机器人
柔性机器人是目前4D打印应用聚焦的核心领域之一。形状记忆材料的可编程特性意味着我们可以将材料打印成为具有可驱动能力的器件。例如，在高海拔、外太空、洪水、冰雪等极端复杂环境中，只要找到适当的结构设计和刺激响应方式，就有可能设计这类材料模仿生物体在环境中的响应方式，制备出具有各种功能的可编程智能柔性机器人[5]。
（2）生物医疗
生物医用材料的增材制造近年来发展迅速，因此，诸如形状记忆合金、聚合物、水凝胶等生物相关材料在定制和个性化制造方面的优势，使得4D生物打印在生物医学应用中表现出巨大的潜力。例如，可以通过4D打印来实现量身定制的缝合线、血管修复装置等，也可利用4D打印技术进行动态生物医学设备的开发，这些设备可用于药物输送、电子皮肤、和仿生机器人等场景，以模仿生物系统（如复杂的人造肌肉）中的应用[4,5]。
参考文献
[1]Gladman A S, Matsumoto E A, Nuzzo R G, et al. Biomimetic 4D printing[J]. Nat Mater, 2016, 15(4): 413-8.
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文稿｜赵若时 张文强
排版｜赵若时 于亿航
编辑｜寇方铖 危 琨
审核｜张可人
探臻科技评论
原文标题：从“聚沙成塔”到“能屈能伸”：增材制造与4D打印
新华社香港8月25日电（
城大研究团队经过两年多的时间，克服材料的局限，成功研制出陶瓷4D打印技术和“陶瓷墨水”，能打印出既坚固又形状复杂的陶瓷，加强了陶瓷在高科技领域的应用。
“这项发明的突破性在于整体的概念和实施方案，还有就是‘墨水’的设计。”吕坚日前接受
吕坚介绍，陶瓷是高熔点材料，用3D打印非常困难，特别是打印尺寸比较大的成品。为了解决这个难题，研究团队利用一种聚合物和陶瓷纳米颗粒的混合物，研发出新型的“陶瓷墨水”，然后以3D打印出既柔软又富弹性的“陶瓷前驱体”。这种前驱体可以拉伸至超过原来材料长度的3倍，经过高温处理，能制造出形状复杂的陶瓷。
身兼城大副校长的吕坚从事3D打印研究多年。24年前，他在法国领导的一个机械系统与并行工程实验室，拥有全球早期的3D打印机器。“并行工程就是说，我们在设计一个产品的时候，把它的运行和制造同时考虑进去，所以3D打印对我们来说是非常重要的工具。”
4D打印是指在传统3D打印的基础上，增加一个时间维度作为第四维度。吕坚说，4D打印的优势包括能规模化地生产很多特殊结构的材料，以及能通过一个基本的产品，加不同的力，产出不同的几何形状。
研究团队打印出蝴蝶、悉尼大剧院、玫瑰等折纸结构的陶瓷，在期刊发表的文章中展示。“如果要做艺术品的话，这就可以为艺术家提供很多新的创意空间。”吕坚说。
应用方面，吕坚表示，陶瓷4D打印能用于制造手机背板。尤其是将来手机进入5G时代，可以避免信号屏蔽的问题，虽然玻璃和塑料可以达到同样效果，但玻璃太重，而*次的手机很少会用塑料，因此陶瓷是其中适合的材料。
另一方面的应用是航空工业。吕坚说，很多航空的零部件都是用3D打印来实现的，陶瓷4D打印能提供更便捷、便宜以及能制造更复杂部件的方案。由于陶瓷耐热的特性，他认为，新技术未来有潜力用于航天事业上，例如将“陶瓷墨水”带到太空，打印出所需要的航天器材零部件，以减少航天器发射升空时的负荷。
吕坚表示，研究团队下一步是要将新技术真正用在产业上，以及从技术研究的角度找出新方案，让它做得更精细；还有就是拓展其他新材料，他们正在做高温合金，而目前已经有一定的进展。（完）
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