基于應(yīng)變失配原理驅(qū)動(dòng)的4D打印研究進(jìn)展

劉小艷,張亞玲,耿呈禎,廖恩澤,劉禹,蘆艾

（1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，無(wú)錫 214122；2.中國(guó)工程物理研究院 化工材料研究所，綿陽(yáng) 621900）

3D打印技術(shù)以其高度的設(shè)計(jì)自由性、高效的構(gòu)建效率及便于制造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的能力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制造技術(shù)的不足，在過(guò)去的幾十年里迅速發(fā)展[1-2]。3D打印技術(shù)以逐層沉積的方式構(gòu)建，包括熔融沉積成型(FDM)、立體光刻(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)、電子束熔化(EBM)、噴墨3D打印(PolyJet)及墨水直書寫(DIW)等[3-4]。這種方式相對(duì)于傳統(tǒng)制造方式優(yōu)勢(shì)突出，但在構(gòu)建曲面懸空薄殼結(jié)構(gòu)時(shí)，往往需要額外的支撐結(jié)構(gòu)，會(huì)造成制造時(shí)間延長(zhǎng)和材料浪費(fèi)的問(wèn)題。此外，通過(guò)3D打印制造的物體具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)，在自適應(yīng)環(huán)境變化方面的應(yīng)用受限。因此，需要一種新的制造方法讓打印好的結(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)特性，能夠隨著環(huán)境的不同而變化。2013年Tibbit在Technology，entertainment，design(TED)演講中首次提出4D打印[5-7]的概念，4D打印在3D打印的基礎(chǔ)上具有物體性能隨時(shí)間變化的特性，其相關(guān)研究進(jìn)展使物體的形狀或功能隨時(shí)間變化的想法得以實(shí)現(xiàn)。

1 4D打印概述

4D打印，是指打印好的物體的形狀或功能會(huì)隨時(shí)間變化。最早Ding等[8]的研究通過(guò)將多材料打印的線條放在水里，線條可以自動(dòng)折疊成目標(biāo)圖案。自提出以來(lái)，4D打印吸引了很多研究者的興趣，相關(guān)研究形成了基于不同維度轉(zhuǎn)換的多種4D打印體系(圖1)。例如一維線條彎曲自折疊成二維圖案或三維框架結(jié)構(gòu)，早期由Ding等[8-10]實(shí)現(xiàn)的4D打印屬于這一策略。更常見(jiàn)的情形是由二維的平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為三維立體結(jié)構(gòu)，如自折疊的花朵、變形的人臉和自彎曲的昆蟲(抓手)結(jié)構(gòu)等[11-14]。此外，還有基于三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的4D打印及附加材料顏色等性能變化的更豐富的4D打印體系[15-17]。

圖1 基于不同維度前驅(qū)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打?。?a) 一維直線圖案轉(zhuǎn)換為二維平面或三維立體結(jié)構(gòu)[8-10]；(b) 二維平面圖案轉(zhuǎn)換為三維立體結(jié)構(gòu)[12-14]；(c) 三維立體結(jié)構(gòu)重構(gòu)[15-17]Fig.1 4D printing driven by different dimensions of precursor structures: (a) One-dimensional linear patterns transfer to two-dimensional or threedimensional structures[8-10]; (b) Two-dimensional planar patterns transfer to three-dimensional structures[12-14]; (c) Reconstruction of three-dimensional structures[15-17]

為使讀者快速了解4D打印這一新興領(lǐng)域，Wu等[18]總結(jié)了4D打印的技術(shù)進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注了方法、材料及變形之間的內(nèi)在聯(lián)系，討論了4D打印的潛在應(yīng)用，并認(rèn)為活性材料是決定4D打印效果的一個(gè)重要因素。Yuan等[19]從產(chǎn)生2D-3D轉(zhuǎn)換的力學(xué)原理角度對(duì)報(bào)道的4D打印分類，全面梳理了不同4D打印策略之間的內(nèi)在聯(lián)系，并提出應(yīng)進(jìn)一步采用逆向設(shè)計(jì)工具或算法來(lái)協(xié)助設(shè)計(jì)前驅(qū)結(jié)構(gòu)。前驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)4D打印最終的變形效果影響較大，而在這方面的綜述較少，因此本文以此為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)從應(yīng)變失配這一驅(qū)動(dòng)原理著手，對(duì)不同維度前驅(qū)結(jié)構(gòu)下的4D打印進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1.1 影響4D打印的因素

1.1.1 打印技術(shù)

4D打印在3D打印的基礎(chǔ)上僅多了時(shí)間維度，因此該技術(shù)從根本上源于傳統(tǒng)的3D打印[20]，所使用的技術(shù)和傳統(tǒng)3D打印相差無(wú)幾。需要注意的是4D打印常常需要使用多材料體系，而目前現(xiàn)有的打印技術(shù)更多地適用于單一材料。同時(shí)，4D打印需要使用智能材料，而只有少數(shù)智能材料可用現(xiàn)有技術(shù)打印。因此，未來(lái)需要更多的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提升打印技術(shù)，以期可打印更多種類的智能材料和更豐富的多材料體系。

1.1.2 打印材料

智能材料[14,21-24]是驅(qū)動(dòng)形狀轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，對(duì)于4D打印不可或缺，一般包括各種刺激響應(yīng)材料、形狀記憶合金、智能聚合物[25]等。從智能材料在基體中分布的角度看，驅(qū)動(dòng)形狀轉(zhuǎn)換的基本單元可分為單智能聚合物和多智能聚合物體系。在單智能聚合物體系中只使用一種智能材料，通過(guò)將該智能材料在基體中以多分散的方式來(lái)排布。多智能聚合物體系中含有多種智能材料，不同的智能材料響應(yīng)不同刺激，從而實(shí)現(xiàn)多刺激響應(yīng)下的多重形狀轉(zhuǎn)換，有望構(gòu)建更加復(fù)雜多樣化的智能結(jié)構(gòu)。智能材料是4D打印的核心，對(duì)多重刺激敏感型及合成簡(jiǎn)便的智能材料研發(fā)是4D打印的發(fā)展趨勢(shì)之一。

1.1.3 外界刺激

4D打印的前驅(qū)結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的推移被相應(yīng)刺激[26]觸發(fā)變形。常見(jiàn)的外部刺激主要可以分為物理、化學(xué)及生物這三大類，具體如溫度、光、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溶劑/水、pH值、離子濃度、葡萄糖濃度和酶等。在不同的刺激下，打印的結(jié)構(gòu)會(huì)基于不同的驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生不同的變形，比如水凝膠等吸水材料會(huì)在水或其他液體環(huán)境下溶脹或收縮、形狀記憶聚合物等熱響應(yīng)材料會(huì)在溫度刺激下發(fā)生體積的膨脹或縮小等。外界刺激可驅(qū)動(dòng)智能材料發(fā)生響應(yīng)性變形，與打印材料、預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)一起決定了應(yīng)變失配的程度和4D打印呈現(xiàn)的變形效果。通常的做法是將具有不同物理和/或化學(xué)結(jié)構(gòu)的材料組合，或?qū)⒃谀骋恍阅苌暇哂刑荻炔町惖耐惒牧辖M合，再給予外場(chǎng)刺激可實(shí)現(xiàn)定向變形。

1.1.4 打印結(jié)構(gòu)

理想的4D打印可使打印的平面前驅(qū)結(jié)構(gòu)經(jīng)相應(yīng)刺激觸發(fā)直接一步成型為目標(biāo)結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程能否準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)的一個(gè)決定因素是目標(biāo)結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)前驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確。在前驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，主動(dòng)變形單元驅(qū)動(dòng)的面內(nèi)、面外變形是產(chǎn)生最終三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)變形，需要進(jìn)行特定圖案的前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提前規(guī)劃好目標(biāo)三維形狀所對(duì)應(yīng)平面結(jié)構(gòu)中智能材料的分布。因此，在4D打印中，目標(biāo)結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)前驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1.2 基于應(yīng)變失配的4D打印

現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)變形的4D打印研究是根據(jù)幾種基本力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的，有相變?cè)?、?yīng)變失配原理及力學(xué)失穩(wěn)原理等。應(yīng)變失配[27]是指介質(zhì)中應(yīng)變的不連續(xù)變化，常發(fā)生在兩種或兩種以上不同材料組成的結(jié)構(gòu)中，由于各部分力學(xué)性能不同，在環(huán)境或載荷的作用下，組分間不協(xié)調(diào)的應(yīng)變導(dǎo)致界面處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而引起形狀的變化。應(yīng)變失配原理驅(qū)動(dòng)變形的根本是在打印之前預(yù)設(shè)智能材料在基體中的分布，再對(duì)含有智能材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)給予相應(yīng)的外界刺激，利用不同材料間產(chǎn)生的不匹配應(yīng)變使復(fù)合結(jié)構(gòu)獲得主動(dòng)變形的能力，這種驅(qū)動(dòng)變形的方式在現(xiàn)有4D打印研究中應(yīng)用較多。

在基于應(yīng)變失配的4D打印中，可以將打印結(jié)構(gòu)的組成分為主動(dòng)變形和被動(dòng)變形兩個(gè)部分，不同部分間變形量的不匹配驅(qū)動(dòng)形狀變化。導(dǎo)致這種應(yīng)變失配的原因可由以下因素引起，如熱膨脹系數(shù)差異、溶脹率差異等，其中的典型例子包括彈性體和樹(shù)脂材料相結(jié)合的雙層結(jié)構(gòu)[28]。應(yīng)變失配的產(chǎn)生也可能源于性能不同的同類材料的組合，例如將具有密度差異導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)不同的多孔材料組合及將具有各向異性的材料組合使不同構(gòu)建方向上產(chǎn)生不同的變形率等，表1列出了幾種常見(jiàn)的基于應(yīng)變失配原理下不同方式驅(qū)動(dòng)的4D打印類型[8,10,12-13,17,28-39]。

表1 基于應(yīng)變失配原理下不同方式驅(qū)動(dòng)的4D打印Table 1 4D printing driven in different ways based on strain mismatch

本文在基于應(yīng)變失配原理驅(qū)動(dòng)變形的基礎(chǔ)上，從前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[40-41]的角度出發(fā)，綜述了不同維度前驅(qū)結(jié)構(gòu)下的4D打印，討論了前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算模型和逆幾何設(shè)計(jì)方法，并對(duì)4D打印的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和展望。

2 不同維度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的4D打印

2.1 基于一維線性結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打印

一維線性結(jié)構(gòu)是指整體對(duì)象由3D打印的纖維長(zhǎng)絲組成，其中承擔(dān)主動(dòng)變形的活性材料按照一定的方式排布在基體材料中構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，并在特定環(huán)境刺激下實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)的形狀轉(zhuǎn)換。由于3D打印采用點(diǎn)-線-面的構(gòu)建方式，使針對(duì)線性結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)較其他制造方式更容易實(shí)現(xiàn)。隨著打印技術(shù)的進(jìn)步，研究者不斷豐富線性纖維長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了多種4D打印體系。

Raviv等[42]將兩種親水性不同的材料作為智能材料嵌入到印刷結(jié)構(gòu)中，以制造可自主變形的結(jié)構(gòu)。首先利用兩種材料在水溶液中產(chǎn)生基于溶脹的應(yīng)變失配，形成具有主動(dòng)變形能力的智能基元。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)目標(biāo)形狀對(duì)智能基元輔助施加外力，調(diào)整這些智能基元拉伸和折疊的程度。在拉伸程度和折疊角度可控的情況下，實(shí)現(xiàn)了打印結(jié)構(gòu)從1D向1D及1D向2D結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換(圖2(a))。

圖2 基于一維線性前驅(qū)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打印[8,17,42]：(a) 一維線條轉(zhuǎn)換為一維或二維圖案；(b) 一維線條轉(zhuǎn)換為二維平面圖案；(c) 一維直線棒轉(zhuǎn)換為三維結(jié)構(gòu)Fig.2 4D printing driven by linear precursor structure[8,17,42]: (a) One-dimensional lines transfer to one-dimensional or two-dimensional patterns;(b) One-dimensional lines transfer to two-dimensional flat patterns; (c) A one-dimensional straight rod transfers to a three-dimensional structure

Sun等[17]采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法輔助設(shè)計(jì)打印多材料組成的線條。將具有不同溶脹特性的兩種材料在線條中的分布進(jìn)行計(jì)算，使它們以特定的方向和距離于線條中有序分布。將制備的線條浸入丙酮溶液中，由于主被動(dòng)材料間溶脹性能的不同驅(qū)動(dòng)形狀變化。借助該設(shè)計(jì)方法，打印的一維線條可以實(shí)現(xiàn)向包括隨機(jī)手寫線條在內(nèi)的各種二維圖案的可控變形(圖2(b))。

Ding等[8]結(jié)合兩種玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)不同的聚合物，以FDM的方式打印了具有復(fù)合截面的一維直線棒結(jié)構(gòu)。Tg較高的聚合物在打印于基底的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)加熱到該聚合物的Tg以上時(shí)，儲(chǔ)存在聚合物中的內(nèi)應(yīng)力釋放使該層收縮。與之結(jié)合打印在上層的Tg較低的聚合物始終處于高彈態(tài)不產(chǎn)生應(yīng)變，隨著下層Tg較高的聚合物收縮，二者形成應(yīng)變失配帶動(dòng)整體雙層結(jié)構(gòu)變形。此外，研究者還巧妙地對(duì)細(xì)長(zhǎng)棒中兩種聚合物的含量、分布和夾角進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建了不同的截面結(jié)構(gòu)，使線條可發(fā)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，最終實(shí)現(xiàn)由一維結(jié)構(gòu)直接向三維立體框架的變形(圖2(c))。一維線性結(jié)構(gòu)制造效率高、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，同時(shí)具有節(jié)省原材料和打印時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，為制造二維或三維等復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了一種簡(jiǎn)便高效的方法。

2.2 基于二維平面結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打印

二維結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的變形主要以雙層或多層層合板結(jié)構(gòu)為基本單元[43-44]，多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中材料之間的結(jié)合面積較大，應(yīng)變失配較容易設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，適用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形狀轉(zhuǎn)換，是4D打印中最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類型。下面，基于不同的打印方式，介紹此類4D打印的研究進(jìn)展。

2.2.1 多材料噴墨3D打印

形狀記憶聚合物在熱刺激下具有較好的變形效果，早在4D打印的概念提出以前就被用于制備各種可變形結(jié)構(gòu)[20-21,23]。在4D打印中，形狀記憶聚合物是最常見(jiàn)的聚合物材料之一，常被用作驅(qū)動(dòng)變形的主動(dòng)層。Ge等[45]通過(guò)多材料噴墨3D打印技術(shù)，將形狀記憶聚合物以纖維長(zhǎng)絲的形式直接打印在彈性基體中構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制力-熱加載過(guò)程以調(diào)控形狀記憶聚合物的塑性變形程度，調(diào)節(jié)基體中纖維的含量及排布角度可獲得不同程度的應(yīng)變失配。當(dāng)結(jié)合驅(qū)動(dòng)變形的主動(dòng)層和被動(dòng)的彈性體層后，設(shè)計(jì)的不同前驅(qū)結(jié)構(gòu)在熱刺激下即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)曲面結(jié)構(gòu)(圖3(a))。

圖3 多材料噴墨打印的基于二維平面前驅(qū)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打印[11,45-46]：(a) 嵌有一種纖維的平面前驅(qū)結(jié)構(gòu)的彎曲變形；(b) 嵌有一種纖維結(jié)合排布模式的平面前驅(qū)結(jié)構(gòu)的自折疊折紙結(jié)構(gòu)；(c) 嵌有兩種纖維的前驅(qū)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的多形狀轉(zhuǎn)換Fig.3 4D printing driven by a two-dimensional planar precursor structure via multi-material inkjet printing method[11,45-46]: (a) Bending deformation of a simple planar precursor structure embedded with a fiber; (b) A self-folding origami structure with a planar precursor structure embedded with a combination of fibers and different layout patterns; (c) Multi-shape conversion driven by precursor structure embedded with two types of fibers

Yuan等[46]在此基礎(chǔ)上，對(duì)折疊結(jié)構(gòu)的鉸鏈部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)鉸鏈彎曲折疊的幅度與多層復(fù)合薄膜在拉伸過(guò)程所受載荷密切相關(guān)。鉸鏈結(jié)構(gòu)的彎曲程度隨著纖維與加載方向間傾角的增大而減小。研究者將不同鉸鏈結(jié)構(gòu)在二維平面內(nèi)進(jìn)行圖案化排布，調(diào)控不同的力-熱加載過(guò)程，設(shè)計(jì)打印了包含桌子、帆船、起重機(jī)在內(nèi)的具有復(fù)雜折疊模式的自折疊折紙結(jié)構(gòu)(圖3(b))。

此外，Wu等[11]將兩種具有不同Tg的形狀記憶聚合物以纖維長(zhǎng)絲形式嵌入彈性體來(lái)打印層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。Tg不同的聚合物在打印完成后會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，對(duì)打印后的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)加熱，當(dāng)溫度達(dá)到其中一種形狀記憶聚合物的Tg時(shí)，可進(jìn)行初次力-熱驅(qū)動(dòng)變形，隨著溫度繼續(xù)升高到另一形狀記憶聚合物的Tg時(shí)，可對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行又一次的力-熱驅(qū)動(dòng)變形，經(jīng)此過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的多重形狀編程及轉(zhuǎn)換(圖3(c))。

2.2.2 熔融沉積3D打印

通過(guò)熔融沉積成型技術(shù)(FDM)在平面前驅(qū)結(jié)構(gòu)中預(yù)置內(nèi)應(yīng)力以實(shí)現(xiàn)4D打印是一種很普遍的做法，內(nèi)應(yīng)力的存在可使變形自發(fā)進(jìn)行，不再需要外力加載即可通過(guò)4D打印構(gòu)建目標(biāo)結(jié)構(gòu)。

Van等[47]以FDM的方式設(shè)計(jì)打印了一種由聚乳酸(PLA)材料組成的具有不同前驅(qū)圖案的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。加熱后，儲(chǔ)存在復(fù)合結(jié)構(gòu)里的內(nèi)應(yīng)力釋放，材料沿打印方向收縮，同時(shí)其他方向膨脹。面內(nèi)收縮/膨脹應(yīng)變(ε1、ε2)可以通過(guò)調(diào)整噴頭溫度、打印速度、打印層高和刺激溫度等參數(shù)來(lái)控制。將收縮量較高的結(jié)構(gòu)和收縮量較低的結(jié)構(gòu)結(jié)合成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)控材料孔隙率和層厚等參數(shù)，這種層狀復(fù)合材料在熱刺激驅(qū)動(dòng)下可獲得不同程度的應(yīng)變失配。作者基于此進(jìn)行不同的平面圖案設(shè)計(jì)，打印了彎曲、螺旋、自折疊盒子、郁金香、含羞草等多種三維結(jié)構(gòu)(圖4(a))。

圖4 熔融沉積成型技術(shù)(FDM)打印的基于二維平面前驅(qū)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打印[47-48]：(a) 以不同打印方向調(diào)控層間的應(yīng)變失配；(b) 以不同打印速度調(diào)控層間的應(yīng)變失配Fig.4 4D printing driven by a two-dimensional planar precursor structure via fused deposition modeling (FDM) printing method[47-48]: (a) Strain mismatch was adjusted by different printing directions between printing layers; (b) Strain mismatch was adjusted by different printing speeds between different layers

Wang等[48]提出了一種在FDM方式打印下通過(guò)調(diào)控打印速度來(lái)獲得不匹配應(yīng)變的方法，該方法會(huì)產(chǎn)生內(nèi)置的應(yīng)變失配以實(shí)現(xiàn)從平面前驅(qū)模式到復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)轉(zhuǎn)換。作者通過(guò)調(diào)控打印層高及平臺(tái)溫度可初步獲得層間不匹配應(yīng)變，再改變打印速度，可以獲得更大范圍的彎曲程度，提高了該技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的能力(圖4(b))。

Chen等[49]采用多材料雙噴嘴熔融沉積建模3D打印工藝進(jìn)行電變形、電變色和電形狀-顏色雙響應(yīng)的4D打印。所使用的材料是以炭黑納米顆粒和PLA為原料合成的電形狀記憶材料，以熱致變色顏料(TP)和PLA為原料合成的熱形狀-顏色雙響應(yīng)材料。通過(guò)控制打印過(guò)程和印刷結(jié)構(gòu)，可以精確控制電加熱區(qū)域，實(shí)現(xiàn)可編程性，為4D打印提供了一種更豐富的形狀和功能設(shè)計(jì)方法。

在最新的研究中，Zhou等[50]報(bào)道了一種共擠出4D打印(CE-4DP)策略，該策略將連續(xù)的金屬纖維集成到熱塑性形狀記憶聚合物中，在聚合物基體中建立電加熱路徑直接加熱。實(shí)現(xiàn)了形狀記憶聚合物復(fù)合材料可選擇性地和順序地加熱，從而產(chǎn)生精確和可編程的變形。同時(shí)，還擴(kuò)展了自感知能力以監(jiān)測(cè)變形。

2.2.3 光固化3D打印

光固化打印是一種被廣泛應(yīng)用于打印高精度結(jié)構(gòu)的的3D打印技術(shù)，包括數(shù)字光處理 (Digital light processing，DLP)和SLA等，這種打印技術(shù)以液體光敏型聚合物為打印材料，使用紫外燈作為光源激發(fā)光固化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)打印。如DLP通過(guò)數(shù)字微鏡原件控制投射的光來(lái)工作，每次投影一層，一次固化一整層。而SLA則是使用激光束在液態(tài)樹(shù)脂表面勾畫出物體，由點(diǎn)到線，再由線到面形成實(shí)體模型。因此在速度上，DLP相對(duì)SLA更快一些。

Huang等[51]提出了一種采用DLP技術(shù)超快速打印多維響應(yīng)聚合物材料和工藝的方法。利用曝光度控制單體反應(yīng)程度，不同的曝光度使水凝膠材料的交聯(lián)度不同，而具有不同交聯(lián)度的水凝膠在溶劑中將產(chǎn)生不同的溶脹率，因此產(chǎn)生不匹配的應(yīng)變。通過(guò)調(diào)節(jié)曝光時(shí)間，可快速獲得各種曲面結(jié)構(gòu)(圖5(a))。同時(shí)，他們也進(jìn)行了蠟基形狀記憶聚合物的打印，單體混合物同樣通過(guò)曝光度來(lái)控制交聯(lián)程度。曝光時(shí)間會(huì)顯著影響最終材料的溶脹比，較短的曝光時(shí)間使反應(yīng)單體較少，交聯(lián)程度低，導(dǎo)致交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)稀疏，稀疏的網(wǎng)格使吸收的蠟更多。相反，較長(zhǎng)的曝光時(shí)間使反應(yīng)單體較多，交聯(lián)程度高，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更致密，而致密的網(wǎng)格使吸收的蠟更少。加熱到一定溫度，蠟融化，蠟的融化使含蠟的網(wǎng)絡(luò)變軟。冷卻到室溫時(shí)，隨著蠟結(jié)晶，含有蠟的網(wǎng)絡(luò)也隨之變硬變成剛性材料。通過(guò)這種方法得到的蠟基網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有一定的形狀記憶特性，可以很好地進(jìn)行可逆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖5 數(shù)字光處理(DLP)打印的基于二維平面前驅(qū)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打印[51-52]：(a) 以曝光時(shí)間調(diào)控材料交聯(lián)度使溶脹率不同驅(qū)動(dòng)形狀變化；(b) 不同材料吸水溶脹率時(shí)不同驅(qū)動(dòng)形狀變化Fig.5 4D printing driven by a two-dimensional planar precursor structure via digital light processing (DLP) printing method[51-52]: (a) Adjusted crosslinking degree of materials with different exposure time results in different swelling rates and various shape changes; (b) Different materials with different water absorption and swelling rates drive shape changes

同樣，Zhao等[52]也利用DLP技術(shù)便于構(gòu)建復(fù)雜形狀的優(yōu)勢(shì)，以光敏聚合物為原材料，提出了一種基于親/疏水復(fù)合水響應(yīng)結(jié)構(gòu)的4D打印。構(gòu)建了親水層聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和疏水層聚丙二醇二甲基丙烯酸酯(PPGDMA)的復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整兩種材料的組成及含量，可以得到不同速率驅(qū)動(dòng)下的溶脹變形。此外，作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析對(duì)驅(qū)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了研究，針對(duì)性地設(shè)計(jì)并成型了幾種在水溶液中可刺激響應(yīng)變形的結(jié)構(gòu)(圖5(b))。

2.2.4 墨水直書寫3D打印

墨水直書寫技術(shù)以其可打印多尺度范圍的墨水材料而深受研究者喜愛(ài)。Weng等[34]通過(guò)多材料墨水直書寫技術(shù)(DIW)打印了具有高模量(約4.8 GPa)的自變形復(fù)合結(jié)構(gòu)。使用的復(fù)合油墨(圖6(a))包含高體積分?jǐn)?shù)的溶劑、光固化聚合物樹(shù)脂、短玻璃纖維及氣相二氧化硅。在直寫打印過(guò)程中，玻璃纖維通過(guò)噴嘴時(shí)發(fā)生剪切誘導(dǎo)排列，使打印結(jié)構(gòu)具有高度各向異性的力學(xué)性能。由不同光響應(yīng)特性材料組成的層合板結(jié)構(gòu)，在光照時(shí)發(fā)生不同程度的溶劑脫除，兩者間應(yīng)變的不匹配驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生特定變形。同時(shí)，光固化步驟將復(fù)合材料的剛度從～300 MPa提高到～4.8 GPa。這種通過(guò)脫除溶劑產(chǎn)生形狀變化的策略，不僅沒(méi)有削弱材料的力學(xué)性能，甚至性能得到了提升，在制造具有高承載能力的輕型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中顯示出潛在的應(yīng)用。

圖6 墨水直書寫(DIW)打印的基于二維平面前驅(qū)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打印[34,53]：(a) 加熱脫除溶劑驅(qū)動(dòng)變形；(b) 熱水-Ca2+溶液雙重刺激驅(qū)動(dòng)變形Fig.6 4D printing driven by 2D planar precursor structure via direct ink writing (DIW) printing method[34,53]: (a) Solvent removal by heating drives shape changes; (b) Hot water-Ca2+solvent double stimulation drive shape changes

由性能不同的材料制備的結(jié)構(gòu)在不同刺激下可表現(xiàn)出豐富的形狀變化。Cao等[53]提供了一種通過(guò)直寫技術(shù)構(gòu)建雙重刺激驅(qū)動(dòng)形狀變化的策略。以雙層結(jié)構(gòu)為基本單元，頂部是海藻酸鈉層，底部是聚己內(nèi)酯層，分別置于熱水和Ca2+溶液中可轉(zhuǎn)換成不同的三維管狀結(jié)構(gòu)。海藻酸鈉和聚己內(nèi)酯在溶液中的溶脹率不同驅(qū)動(dòng)雙層結(jié)構(gòu)的形狀變化。綜合考慮了雙分子層薄膜的寬高比、厚度比、圖案設(shè)計(jì)和外部刺激等影響變形程度的因素。因此，通過(guò)調(diào)整參數(shù)和刺激介質(zhì)，可以獲得定制的目標(biāo)結(jié)構(gòu)(圖6(b))。這種具有雙刺激響應(yīng)能力的4D打印薄膜，由于具有生物相容性及空心的管狀結(jié)構(gòu)，在血管支架等生物醫(yī)學(xué)設(shè)備領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

2.3 基于三維立體結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打印

三維立體結(jié)構(gòu)的重構(gòu)常見(jiàn)于各種可變形的形狀記憶聚合物體系中[12-13,19]，3D/4D打印增加了打印結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和功能性。

Ma等[37]展示了一個(gè)在熱驅(qū)動(dòng)下三維框架結(jié)構(gòu)一步成型的案例，以多材料構(gòu)造的桁架單元為基礎(chǔ)，將特定的幾何和多材料屬性編碼到其中，然后在熱刺激下實(shí)現(xiàn)向目標(biāo)形狀轉(zhuǎn)換。所構(gòu)建的桁架單元由4個(gè)面組成，每個(gè)面都包含兩種不同的溫度響應(yīng)材料，并且這兩種不同的溫度響應(yīng)材料以軸對(duì)稱模式排列，兩種材料間不匹配的熱膨脹系數(shù)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可編程的空間變形。通過(guò)將具有不同溫度響應(yīng)性的多種材料組合，可在熱刺激下獲得不同曲率的桁架單元；將具有不同曲率的桁架單元進(jìn)行一定的編程設(shè)計(jì)，可得到具有多曲率值的曲面，通過(guò)此方法實(shí)現(xiàn)了高剛度特性結(jié)構(gòu)的快速重構(gòu)(圖7(a))。

圖7 基于三維立體前驅(qū)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的4D打印[12,37]：(a) 具有多曲率及高剛度結(jié)構(gòu)的變形；(b) 具有中空管狀結(jié)構(gòu)的變形Fig.7 4D printing driven by a three-dimensional precursor structure[12,37]: (a) Deformation of structures with multiple curvatures and high stiffness;(b) Deformation of structures with hollow tubular patterning

Van Manen等[12]研究了基于三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)的4D打印，采用常見(jiàn)的FDM技術(shù)，在打印平臺(tái)上添置可控旋轉(zhuǎn)軸以實(shí)現(xiàn)封閉管狀結(jié)構(gòu)的打印。采用此方法打印聚乳酸使其沿打印方向產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，通過(guò)調(diào)控不同的打印路徑以控制內(nèi)應(yīng)力和打印材料的收縮程度，從而控制應(yīng)變失配的程度以實(shí)現(xiàn)向目標(biāo)形狀的變形。作者采用有限元分析(FEA)，設(shè)計(jì)制備了包括可展開(kāi)氣管在內(nèi)的各種復(fù)雜管狀結(jié)構(gòu)的4D打印(圖7(b))。

隨著研究的深入，4D打印逐漸在工程領(lǐng)域體現(xiàn)出應(yīng)用前景。Hoa等[54]以4D打印的方式利用復(fù)合材料開(kāi)發(fā)了新的柔性機(jī)翼。機(jī)翼是一種錐形夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的正弦梁通常需要采用具有復(fù)雜幾何形狀的模具來(lái)制造。該研究使用扁平的前驅(qū)結(jié)構(gòu)，以復(fù)合材料的4D打印方式構(gòu)建正弦梁，提升了制備效率。文中將碳纖維/環(huán)氧材料以非對(duì)稱層合板結(jié)構(gòu)排布，利用基體樹(shù)脂和不同纖維取向?qū)訜崾湛s系數(shù)的差異來(lái)激活形狀變化[55]，并且可以通過(guò)不同的層間重疊率和不均勻間距來(lái)調(diào)控變形結(jié)構(gòu)的曲率(圖8)。該工作綜合考慮機(jī)翼形狀、承受載荷、鋪層順序等因素，使4D打印的機(jī)翼變形的同時(shí)能承受所需載荷，展現(xiàn)了4D打印材料的應(yīng)用前景。

圖8 基于4D打印以非對(duì)稱層合板結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的柔性機(jī)翼[54]Fig.8 4D printed flexible wings with asymmetric laminated plates[54]

3 4D打印中前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論和方法

3.1 基于理論計(jì)算模型的輔助設(shè)計(jì)

理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合已經(jīng)成為很多領(lǐng)域進(jìn)行科研探索的主流方式。同樣，建立理論計(jì)算模型是對(duì)4D打印中前驅(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)變形的一個(gè)重要手段，在前文所述的諸多4D打印研究中均有采用[8,56-57]。

Liu等[58]以等效變換的方式對(duì)4D打印中常見(jiàn)的基本變形結(jié)構(gòu)即雙層結(jié)構(gòu)的折疊變形進(jìn)行理論計(jì)算。作者將相對(duì)復(fù)雜的折疊過(guò)程轉(zhuǎn)換為拉伸和彎曲兩個(gè)更簡(jiǎn)單的過(guò)程，降低了建模的復(fù)雜性。利用胡克定律建立了拉伸變形模型，定義了考慮厚度比的超彈性能量密度函數(shù)。根據(jù)新的能量密度函數(shù)，計(jì)算雙層結(jié)構(gòu)在彎曲變形過(guò)程中的能量變化，通過(guò)最小化彎曲變形過(guò)程中雙層結(jié)構(gòu)的能量，建立了考慮厚度比的彎曲變形模型，并應(yīng)用數(shù)值模擬驗(yàn)證了所建模型的正確性。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的精確預(yù)測(cè)，Liu等[59]在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了考慮厚度比和彈性模量比的雙層結(jié)構(gòu)變形模型。數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以較好地設(shè)計(jì)4D打印雙層結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，對(duì)于前驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要意義(圖9(a))。

Zeng等[60]提出了一種對(duì)溫度敏感型雙層結(jié)構(gòu)的變形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算的方法，分析了雙層結(jié)構(gòu)變形的熱機(jī)械原理，并對(duì)3種變形行為進(jìn)行了建模。同時(shí)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)與響應(yīng)面法建立了擬合線寬、打印高度、填充形式和刺激溫度這4個(gè)主要變形參數(shù)下的本構(gòu)模型。根據(jù)該模型，調(diào)整編程參數(shù)可實(shí)現(xiàn)預(yù)編程的雙層結(jié)構(gòu)圖案向目標(biāo)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，這種建立模型的方法為任意曲面前驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)單高效的思路(圖9(b))。

3.2 基于模擬仿真的輔助設(shè)計(jì)

在4D打印的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)模擬仿真如FEA可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性及較直觀地觀察變形過(guò)程，幫助科研人員減少試驗(yàn)次數(shù)，提高科研效率。目前，已有很多研究者在4D打印的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中利用有限元分析軟件如Abaqus、Comsol、Ansys等進(jìn)行模擬仿真[61-62]。

Wang等[63]以FDM技術(shù)打印了由聚乳酸制備的溫度驅(qū)動(dòng)型4D打印結(jié)構(gòu)，提出了一種精確的仿真方法，該方法可以準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單地模擬各種預(yù)編程結(jié)構(gòu)的變形過(guò)程。同時(shí)也開(kāi)發(fā)了一種可用于形狀記憶聚合物的本構(gòu)函數(shù)，描述了熱力學(xué)參數(shù)對(duì)變形的影響。基于本構(gòu)模型，通過(guò)配置存儲(chǔ)在打印模型中的各向異性預(yù)應(yīng)變，模擬了外部溫度對(duì)變形程度的影響。將本構(gòu)模型與有限元分析相結(jié)合，可以表征形狀記憶聚合物的性能。通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以有效地控制變形。結(jié)果表明，使用該編程方法成功設(shè)計(jì)了能夠準(zhǔn)確向目標(biāo)圖案轉(zhuǎn)換的自折疊結(jié)構(gòu)(圖10(a))。

圖10 模擬仿真輔助4D打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[63-65]：(a) 溫度驅(qū)動(dòng)雙層結(jié)構(gòu)的變形仿真；(b) 復(fù)雜可逆變形結(jié)構(gòu)仿真Fig.10 Simulation-assisted 4D printing structure design[63-65]: (a) Deformation simulation of temperature-driven double-layer structures;(b) Simulation of complex reversible deformation structures

Song等[64]提出了一種預(yù)測(cè)溫度敏感型4D打印雙層結(jié)構(gòu)變形的方法。作者考慮了打印過(guò)程對(duì)變形的影響，用雙金屬熱彎曲理論計(jì)算了兩層之間的熱膨脹差異，建立了考慮熱膨脹正交各向異性的還原雙層板模型，隨后進(jìn)行變形過(guò)程的仿真，驗(yàn)證了該模型的有效性。Wang等[65]對(duì)復(fù)雜可逆變形結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，可實(shí)現(xiàn)各種可逆結(jié)構(gòu)的快速構(gòu)建。打印參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)極大影響復(fù)合材料雙層結(jié)構(gòu)的變形，通過(guò)對(duì)兩者調(diào)控的變形過(guò)程仿真，可有效控制復(fù)合材料雙層結(jié)構(gòu)的可逆變形效果(圖10(b))。

3.3 基于逆幾何工具的輔助設(shè)計(jì)

目前，大多數(shù)4D打印研究采用的是一種正向設(shè)計(jì)策略，即建立理論或計(jì)算模型。對(duì)主動(dòng)變形材料和被動(dòng)變形材料進(jìn)行一定的排布組合設(shè)計(jì)，以預(yù)先確定的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)打印結(jié)構(gòu)的變形，再根據(jù)理論計(jì)算或模擬仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)迭代，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建的目標(biāo)結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳的效果。隨著幾何結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，同時(shí)迭代大量的設(shè)計(jì)參數(shù)變得十分麻煩。近年來(lái)，逆幾何設(shè)計(jì)工具或算法[10,17,39,66-67]成為解決上述問(wèn)題的一個(gè)新策略，其可以對(duì)前驅(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反向輔助設(shè)計(jì)，以逆向求解智能材料在4D打印結(jié)構(gòu)中的空間分布，有望提高4D打印中前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率與準(zhǔn)確性。

Boley等[10]提出了一種逆幾何設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行任意復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的多材料4D打印。以可變形雙層肋骨結(jié)構(gòu)為基本單元，生成共形目標(biāo)曲面的網(wǎng)格，然后將其投影到平面上，并以一定的曲面輪廓網(wǎng)格來(lái)離散化平面投影獲得打印路徑。再以多材料直寫的方式打印二維平面前驅(qū)結(jié)構(gòu)，該二維平面在熱刺激下可快速轉(zhuǎn)換為目標(biāo)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)。文中成功設(shè)計(jì)打印了人臉結(jié)構(gòu)，證明了這種逆設(shè)計(jì)方法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)(圖11(a))。

圖11 逆幾何方法輔助設(shè)計(jì)前驅(qū)結(jié)構(gòu)[10,68-69]：(a) 基于共形曲面投影的前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(b) 基于智能材料體素化分布的前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(c) 基于智能材料拓?fù)鋬?yōu)化的前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.11 Inverse geometry method aided design of precursor structure[10,68-69]: (a) Design of precursor structure based on conformal surface projection;(b) Design of precursor structures based on voxel distribution of intelligent materials; (c) Topology optimization design of precursor structure based on intelligent materials

Sossou等[68]致力于建立基于體素的智能材料(SMs)建模和仿真，以逆向設(shè)計(jì)前驅(qū)結(jié)構(gòu)中智能材料的分布(MDs)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。作者為此專門研發(fā)設(shè)計(jì)了工具VoxSmart，利用CAD軟件Rhinoceros?中的圖形算法編輯器Grasshopper?的功能和便利對(duì)SMs進(jìn)行建模和仿真(圖11(b))。這種基于體素的方法對(duì)4D打印的前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種較新穎的手段，但目前主要用于概念設(shè)計(jì)階段，如何實(shí)際打印出來(lái)，還得依賴先進(jìn)的多材料打印技術(shù)。

Wei等[69]提出了一種用于4D打印活性復(fù)合材料的多材料拓?fù)鋬?yōu)化方法，通過(guò)調(diào)控主動(dòng)材料在被動(dòng)材料中的空間分布，以實(shí)現(xiàn)初始平面結(jié)構(gòu)更準(zhǔn)確地變形為目標(biāo)形狀。作者通過(guò)建立活性材料的多材料插值函數(shù)，利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)在體素基礎(chǔ)上建模，以計(jì)算結(jié)構(gòu)在給定材料分布后的彎曲程度，即模擬活性材料的變形行為，該方法在合理的誤差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)形狀與最終形狀之間的高精度匹配。之后，作者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同活性材料用量與不同目標(biāo)形狀之間的變形進(jìn)行驗(yàn)證，證明了所提方法的可行性和有效性(圖11(c))。

上述4D打印的研究，均建立在應(yīng)變失配驅(qū)動(dòng)變形的基礎(chǔ)上，各組分在外界刺激下產(chǎn)生應(yīng)變的不協(xié)調(diào)，界面處產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)形狀轉(zhuǎn)換。一維線性形式作為前驅(qū)結(jié)構(gòu)的變形單元，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，在各種需要立體框架的應(yīng)用中廣受歡迎。二維平面結(jié)構(gòu)以雙層或多層層合板組成的平面為基本單元，界面間結(jié)合面積大，可進(jìn)行多樣化的前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著4D打印的發(fā)展，為了滿足不同曲率范圍結(jié)構(gòu)的需求及所需的性能，三維立體形式的前驅(qū)結(jié)構(gòu)逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)。在4D打印中，除了通過(guò)實(shí)驗(yàn)迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)形狀外，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在4D打印前驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在設(shè)計(jì)之初，數(shù)值模擬可以有效預(yù)測(cè)方案的可行性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，與模擬仿真結(jié)合，可提高成型效率。

4 總結(jié)與展望

4D打印自提出以來(lái)受到許多研究者的關(guān)注，其制造的結(jié)構(gòu)不再是靜態(tài)的，而是可以在外部刺激下改變尺寸、形狀、屬性及功能等特性，賦予原本3D打印的物品動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。這種動(dòng)態(tài)特性克服了傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限，使4D打印在軟體機(jī)器人、智能夾具、藥物輸送、支架和組織工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用。

4D打印材料的刺激響應(yīng)性使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣受關(guān)注。在這一領(lǐng)域，生物相容性、可降解性、刺激條件、驅(qū)動(dòng)溫度和形狀變化率等參數(shù)通常被關(guān)注。例如4D打印的可展開(kāi)支架等變形器件，可在生物體內(nèi)的特定部位實(shí)現(xiàn)變形，為非接觸式治療提供幫助。具有電響應(yīng)特性的4D打印材料有望在電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)潛在的應(yīng)用，一些重要特性，如驅(qū)動(dòng)電壓、電導(dǎo)率、力學(xué)性能和變形率通常被關(guān)注。此外，通過(guò)4D打印制備的智能電子設(shè)備，往往不需要傳統(tǒng)的剛性電路板，省去了以往需要將各零部件組裝的步驟，簡(jiǎn)化了制備過(guò)程，提高了效率。4D打印的可控變形特性也有望驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展，這種由軟材料構(gòu)成的機(jī)器人可以大幅改變身體形狀以適應(yīng)多樣化環(huán)境，有望進(jìn)入傳統(tǒng)剛性機(jī)器人或人類難以深入的地方開(kāi)展工作。

隨著4D打印技術(shù)的快速發(fā)展，不可避免的會(huì)面臨新的挑戰(zhàn)，例如打印技術(shù)、智能材料和前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。打印技術(shù)方面，只有少數(shù)智能材料可以使用當(dāng)前技術(shù)，未來(lái)需要更多的技術(shù)創(chuàng)新以便可打印更多種類的智能材料。同時(shí)，智能材料的分布與變形效果密切相關(guān)，如何實(shí)現(xiàn)智能材料在基體中的精確分布也值得關(guān)注。另外，4D打印通過(guò)結(jié)合多材料來(lái)實(shí)現(xiàn)變形和功能的多樣化也是發(fā)展趨勢(shì)，因此，多材料打印技術(shù)也是需要發(fā)展的方向。智能材料方面，盡管研究者已經(jīng)成功研究了包括形狀記憶聚合物和刺激響應(yīng)性水凝膠在內(nèi)的各種智能材料，但一般合成過(guò)程復(fù)雜，因此，未來(lái)需要更多的研究來(lái)推動(dòng)智能材料的發(fā)展。前驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是4D打印面臨的另一挑戰(zhàn)，前驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確與否，直接決定了目標(biāo)結(jié)構(gòu)能否打印成功。目前大多數(shù)研究側(cè)重于構(gòu)建理論或計(jì)算模型來(lái)預(yù)測(cè)變形，但這種方式需要反復(fù)嘗試，對(duì)于較復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑增加設(shè)計(jì)與打印難度。因此，未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步采用逆向設(shè)計(jì)工具或算法來(lái)輔助設(shè)計(jì)前驅(qū)結(jié)構(gòu)，使4D打印的效果更加完善。

4D打印已然為制造領(lǐng)域增添了豐富的色彩，隨著研究人員的繼續(xù)努力，相信不久的將來(lái)，4D打印產(chǎn)品有望遍及生活的方方面面，為人們的生活帶來(lái)意料之外的便捷與樂(lè)趣。屆時(shí)，想象力或許將成為4D打印的唯一限制。