提起3D打印技术,相信很多人都不陌生。3D打印机已经进入寻常百姓家,以实实在在的金属、陶瓷、塑料、砂等不同原材料为“墨水”,在电脑控制下把这些打印材料层层叠加,最终将计算机上的蓝图变成实物。
　　3D打印就是极限了吗?如果再赋予其新的维度,4D打印又可能带来哪些颠覆性变革?北京交通大学Rheobot(流变机器人)团队将天马行空的想象落地生花,他们利用自主研发的新型磁控触变材料和全球首台4D打印机,打造出了“会自主变形”的黑科技。近日,记者走进4D打印实验室,揭秘这里的“变形金刚”是如何炼成的。

　　4D打印比
3D打印多了什么
　　学期结束,实验不止。在北京交通大学Rheobot实验室,机械与电子控制工程学院副教授、90后青年科学家李振坤正和同学们一起,用一台桌面级4D打印机探索流变机器人的更多可能性。精密的喷头遵循编程设定,向外喷射出灰褐色物质,几分钟内,一个简易的流变机器人打印完成。Rheobot团队成员、北京交通大学硕士研究生徐海天拿起这块约两根手指大小的结构,验证其是否能按预期运动、变形。
　　徐海天介绍:“它是一种非接触式的控制,很适合一些极端的环境,像对狭窄空间的探索、运动,再前沿一点的方向,它甚至可以到人体里面。”
　　虽有物理阻隔,靠徐海天依托磁场的“隔空”控制,这个流变机器人依然像翅膀一样伸展、折叠。全球第一款流变机器人就诞生在这个实验室。Rheobot,正是“流变机器人”的英文,这一概念是2023年李振坤根据自主研发的磁控流变记忆材料在全世界首次提出的。
　　李振坤表示:“我们在普通的材料里加入了纳米磁性功能颗粒、还有一些其他成分,让这个材料将来可以动态地进行响应。比如我们做人形机器人的面部皮肤,它可以实时和人去交互、生成表情。我们要在微观上给材料构造,让它具有自我组装的功能,组装成我们想要的结构；有了这样的结构之后,它在宏观上会表现出我们想要的特性。”
　　这样的创新,如同给混凝土掺入微小钢筋,通过施加磁场使其进一步定向排列,从而彻底改变了材料性能。有了如此智能的材料,再配以编程设计,4D打印的“密码”得以破解,进而能实现对物体变形过程的精准控制,甚至能切换坚硬或柔软等不同状态,让其适应更复杂的场景。举个例子,如果想4D打印一朵花,设定“遇湿开花”,那么它就能在雨天自动绽放。
　　“相比于3D(三维),4D打印多出了一个时间维度。因为3D打印出的是静态的、不会动的物体,而4D打印相当于给材料植入了一套程序,在特定的条件下,比如遇到水、光、热,或者在我们使用的磁场作用下,打印出的结构就能随着时间的推移,自行改变形状或功能。”李振坤说,这就是4D打印的神奇之处。
　　李振坤介绍:“将来我们去考察一个4D打印的结构,我们是让它动起来的,这就是在一个时空当中了；但即使我们不让它动,它也已经比3D打印多了微观结构可以被编程的维度。4D打印不需要那么复杂,我们把功能直接写在它的结构里,让它真正能够做到功能和结构一体化。实际上它是一个强仿生,不仅仅是从形态上仿生,还是从功能上仿生,比如生物在什么地方有肌肉,那我们就在什么地方给它打上像肌肉功能一样的结构。”
4D打印技术
有哪些应用前景
　　李振坤揭秘,4D打印过程中,材料被充上磁场,形成最小的磁性单元,在一系列磁场智能响应下,实现对自身状态的感知和调控,仿佛“变形金刚”。在李振坤的计划中,磁控4D打印技术或将最先应用到低空经济等新兴产业。李振坤拿实验室里一款4D打印出来的飞机蒙皮装置举例,这是一个包围飞机骨架、形成气动外形的维形构件。
　　李振坤表示,蒙皮有几个作用,一个是减少阻力,另一个是调节飞机的飞行状态,让它更适应气流。它本身是静态,可能会有一些被动变形。随着低空经济需求的进一步发展,现在对蒙皮提出了更高要求,它能不能主动改变形状?如果飞行器有了这样的功能,可以大大增加飞行稳定性,也可以减少阻力、降低油耗。现在的变形蒙皮实际上是在皮下面做了一些机械结构,带动了皮去发生变化。而我们通过4D打印,在机翼的主体结构里埋入了一些线圈,通过给线圈通电,让它主动运动,产生周期性的变化。
　　在材料上做文章,4D打印的前景将更宽广。李振坤在和人形机器人工程师交流时发现,以塑代钢是产业发展的新路径,4D打印技术能否革新塑料的性能?
　　“底层逻辑是一样的,就是在打印材料挤出的时候对它同时进行充磁。人形机器人翻跟头、行走,都需要很高的材料强度。我们就提出了开发一种新的材料以及新的打印方式,用普通塑料可以打出特种塑料的强度,并且成本没有很大增加。人形机器人用了这样的材料,重量会降低,跟人交互的安全性会提高,另外还能提高续航。”李振坤说。
全球首台4D打印机
是如何被创造出来的
　　在Rheobot实验室,一个又一个材料被青年学者注入“生命力”。实际上,4D打印概念早在多年前就被美国麻省理工学院最先提出,李振坤于2018年首次读到4D打印方法的论文时尚未博士毕业。彼时,他欣喜地找到导师、磁性液体专家李德才教授,希望借他山之石再寻创新。
　　李振坤表示:“开始的时候跟着国外的工艺走,我发现有一个问题,工艺过于复杂了。当时我就想到能不能在打印机里把充磁和磁畴编程两件事放在一起,也就是一体化工艺。这项技术由我们开发出来、发表论文之后,又被麻省理工学院的科技媒体报道了。”
　　2024年,承载着一体化工艺的全球首台桌面级4D打印机Mag　4D　Printer问世,并入选中关村论坛常设展。李振坤始终坚持,再尖端的技术,如果只停留在论文里就失去了意义,科技最终要真正改变生活。4D打印技术从实验室走向市场,李振坤也从青年科学家化身科普达人,让硬核科技变得可触可感。
　　李振坤介绍:“打印机在2025年全国科普月的中国科技馆主场展示,被很多观众体验。我们和科技馆的馆长一起提出了一个理念,能不能把实验室搬到科技馆?我们让科技馆的孩子当场体验到实验室的研究过程,通过这个体验,他了解了包括材料学、智能制造,还有机器人相关的知识,这也是我们做这件事的初衷。”
　　尽管4D打印技术目前尚在概念验证阶段,李振坤期待,它的普及一定会在不远的一天到来,并为我们创造更加便捷、智能、美好的未来。李振坤表示:“等我们把这项技术做得再成熟,将来也希望这款机器就像现在的3D打印机一样走进千家万户,让每一个爱动手的孩子都可以制作自己想要的4D打印的结构,就像有了生命一样。”
　　图文来源:央广网、北京日报