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全新造物逻辑下的4D打印技术

2020-06-29 07:55:26 《检察风云》 2020年10期

沈臻懿

从3D到4D打印技术的飞跃

提到3D打印技术,大部分人都已经不再陌生。目前,3D打印的发展速度可谓一日千里,且极大地改变了人们的生活。但说起4D打印技术,不少人或许就颇感陌生了。

3D打印,可以看成是某个物体的逐层制造。4D中多的这一个“D”,是物体继长、宽、高之后的第四维度。也就是说,除了拥有3D打印技术的“长宽高”三维结构外,4D打印技术还增加了“时间”的第四维度概念。通过3D打印技术制造出的产品,在没有人为干预的前提下是无法改变的,并一直保持着原状。但基于4D打印技术的产品,会对其所处的环境发生反应,进而随着时间的推移而发生改变。4D中的第四个“D”,使得打印产品不再是静止的,而是赋予了其智能化与随时间变化的神奇魔力。这种具有神奇魔力的产品,不仅能够记住自身最初的形状,当其身处某种特定的环境条件下,还能回应环境刺激,并恢复成最初的样子。

美国麻省理工学院的一支研究团队,就在实验室条件下尝试开拓着4D打印的应用前景。该研究团队设计出了一款4D镂空连衫裙,能够根据穿着者的身材进行自我调节、变化,即使是在运动过程中,也能实时贴合穿着者的形体。这在一定程度上解决了“量体裁衣”的困扰。同时,世界上第一双4D鞋子也由该研究团队设计问世。这种鞋子虽然在外观上并不像4D打印技术那般玄幻,但其可以根据穿着者脚的大小和形状进行动态调整,不仅合脚,更能有效降低制鞋成本。

从某种程度上说,3D打印出的物体,仍然没有脱离传统意义的产品概念。但4D打印出的物体,可以看成是一种可“编程”的新型产品。这种产品不再仅仅以固定形态存在,其在一定条件下,可根据先期设定的时间,就产品的形状等方面进行相应变化。这就意味着4D打印技术已然颠覆了传统的造物形式,且具有了“全新的造物逻辑”。

不同于传统造物过程先模拟后制造,或边造物边调整模拟效果的方式,4D打印是通过软、硬件之间的无缝衔接,将产品设计通过打印技术嵌入可变形的智能化材料中。只要在特定激活条件或时间下,无须人为干预,即可按照设计时的方案进行自我“编辑”。

进军生物医疗的4D打印

4D打印技术创造的智能化结构,可以从某种三维结构变为另一种三维结构,也可以在一维或二维结构的基础上,向三维结构转变。多维结构间的随意变形,为4D打印技术在生物医疗领域中的深度应用带来了无限的可能。

心脏支架植入术,无疑是当前治疗冠心病、心肌梗死的最佳诊疗方案之一。其通过介入方法,将冠状动脉狭窄的部分扩张后,放入金属支架来对狭窄部位进行支撑,从而令狭窄血管壁向外扩张,并保证血液流通顺畅。当心脏支架遇到4D打印技术后,一种全新的医疗植入物即将于生物医疗领域璀璨登场。

4D打印技术在心脏支架植入术中的大显身手,可进一步降低病人手术可能面临的风险。该技术的核心,即是利用4D打印制造出带有记忆功能的生物心脏支架。在此基础上,科学家还需要对带有记忆功能的支架材料予以精准控制,从而令其在一定温度和压力下,能够“变身”为预先设定的形态。在手术时,只需通过血液循环系统注射带有设计方案的智能化材料,这种材料抵达心脏指定部位后,即会按先前设定的方案来自我组装并形成支架。

相较于传统金属支架,4D打印制造出的支架,在疏通了血管之后,还能渐渐分解成水和二氧化碳等物质,最终彻底消失。其不仅可以防止血管再度变得狭窄,还可以避免支架血栓等问题的产生。

对于女性来说,乳腺癌无疑是“令人绝望”的存在,患者为了摆脱其困扰,往往不得不付出乳房切除的代价。随着4D打印技术在生物医疗领域中的介入,这一现状将被彻底改变。未来,乳腺癌患者在经历手术后,不仅能够切除肿瘤,还能够保留完整的乳房及其生理功能。这一技术的关键,就是利用4D技术打印出一种带有“时间维度”的可降解生物材料填充物。这种生物材料为多孔状网格结构,与人体组织之间极为相容,且具有良好的支撑性能和弹性。在对患者的乳腺癌肿瘤进行切除和对腋窝淋趋承进行清理后,就需要在缺失的乳腺组织中填入带有预先设定方案的4D打印可降解生物填充材料。由于该“智能化”材料带有“时间”这一第四维度,其进入患者乳房后,即会按事先设置的时间逐步降解。在此过程中,患者自身的纤维组织将不断生长至填充物中,并最终随着填充物的降解、消失而完全取代填充物。这一技术的应用,不仅不会让患者体内遗留异物,且能让患者再次拥有自然、健康的乳房。除了乳腺癌之外,4D打印技术所制造的可降解生物材料,还可应用于其他人体组织缺失的手术填充。

4D打印出的“超材料”

4D打印、材料科学和力学的融合,诞生出了一种名为“超材料”的智能化材料。“超材料”一词,来源于希腊语中的“meta”,意为“更高”。简单来说,“超材料”就是自然界中所没有的,且不同寻常的材料。目前,科学家已基于4D打印技术,研发出了一种轻质柔性材料,其可以用于防灾减震、安全防护以及柔性机械等设备,将在安全、健康等领域大放异彩。

这种智能化的材料,既可以像钢铁一般坚硬,又能够像海绵一样柔软,且可以随意改变自身形状。换句话说,该4D打印超材料具有可调特性。当温度处在室温条件和90摄氏度之间时,材料刚度可调节范围超过了100倍,从而可极大限度实现减震功能。此外,在加热条件下,4D打印超材料可恢复为原始形状。

除减震效能外,4D打印超材料还可用于飞机或者无人机机翼。基于超材料所制造出的机翼,能够使其在飞行过程中针对温度、气压或者其他环境条件的变化来做出相应的回应,进而实现空气阻力的最大化或最小化,从而通过“自动”改变机翼形状来获得最佳性能。

受到章鱼触角的仿生学启示,由灵活、柔软材料制成的柔性机械设备,可基于任务性质和所处环境,來调整相应的刚度或灵活性。前述理论在4D打印超材料的介入下,已然在微型植入式医疗设备领域有着极为光明的应用前景。多自由度的操作臂,是微创技术发展的一大难点。利用4D打印超材料所制造的诊断、治疗植入器械,在植入的过程中可以暂时变得较为柔软且灵活,其可以像章鱼触手一般,通过食道、肛门等人体自然腔道,进入人体,并在人体内随意改变行进方向。这一功能在便于微创植入的同时,也大大减少了患者因为植入活动而引发的痛苦与不适感。

与此同时,4D打印超材料在安全领域也有着不凡的表现。研究人员发现,前述材料具有的温度和记忆特性,极为适用于车辆上的调控热敏元件。当前,车辆温控器多利用石蜡热胀冷缩的原理来进行控制,往往存在加工易融化、动作滞后等问题,也影响了行车安全性。若利用4D打印超材料来实现对温控器的调节,则可完美规避前述问题。轮胎爆胎,尤其是高速行进过程中的车辆爆胎,往往会造成极为严重的安全事故。为了增强行车的安全性,科学家基于4D打印超材料的特性,尝试将其应用于车辆轮胎,其所具有的超弹性特点,可有效避免轮胎发生爆胎的风险。

值得关注的是,横空出世的4D打印技术,目前大多处于实验室阶段。前述种种设想如果要走出实验室,并大规模普及,尚需要突破诸多瓶颈难题。但值得期待的是,4D打印技术理念将给传统设计与制造领域带来巨大影响,其应用前景一片广阔。

编辑:黄灵 ?yeshzhwu@foxmail.com

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