增材制造，也就是 3D打印 ，今年已有30年历史。如今，3D打印不仅应用于工业领域，也进入了千家万户，因为3D打印机的价格已降至1,000美元以下。知道几乎任何东西都能打印出来，而不仅仅是纸上的标记，这为我们在家中制造玩具、家用电器和工具带来了无限可能。
不过，3D打印材料还能进一步改进，使其更加灵活、更加实用：通过预先编程，让结构在受到刺激时以特定方式变形。近来，这种技术被冠以“4D打印”这一通俗科学名称；或许更好的理解方式是，物体会随时间发生变化。
这种结构变形并不新鲜——研究人员早已展示过“记忆”和“智能材料”特性。最受欢迎的技术之一称为 形状记忆合金，温度变化会触发其形状改变。其他成功的方法则利用 电活性聚合物、加压液体或气体、化学刺激，甚至光来实现。
在发表于《自然：科学报告》的 一篇论文 中，我们研究了如何设计由多种材料打印而成的物体，使其能够复杂地自行变形，从而将物体定制成特定形态。
与许多展示如何 弯曲简单纸状形状的研究者不同，我们构建了一种二维网格结构，它能够通过伸展或收缩，在复杂的三维表面上自行变形。
想象一下，将一块平坦、可拉伸的布盖在一个形状不规则的物体上，布料会贴合其下方的形状。从几何学角度看，布料的曲率会随之改变，距离和面积也会变化。我们将这一点纳入考量，提出了一种既能适应弯曲、也能适应尺寸扩张的方案，并设计了多个方案，证明这是可行的。
水下变形
麻省理工学院 自组装实验室负责人 Skylar Tibbits 几年前 开启了这项研究 ，当时研究重点是膨胀材料和简单变形。此后，麻省理工学院 相机文化小组 与自组装实验室的研究人员，以及 Stratasys 和 Autodesk Inc 两家公司携手，将研究进一步推进。
我们的做法是，使用性能不同的材料打印3D结构：一种保持刚性，另一种则可膨胀至原体积的200%。我们将膨胀材料有策略地布置在主体结构上，形成关节；这些关节遇水后会像可弯曲吸管一样伸展和折叠，从而形成各种各样的形状。例如，一个类似“MIT”字母组合的3D打印形状，被展示为可以演变成另一个看起来像“SAL”字母组合的形态。
接下来呢？
我们设想，这项技术有广泛的应用前景，例如可根据热量或湿度进行调节、以提升舒适度或增加功能的家用电器和产品。比如，能够对湿度或温度作出反应的育儿用品，或能通过响应环境变化来优化形状和功能的服装与鞋履。
预先编程的自变形材料也可用于医疗保健领域——研究人员正在打印 生物相容性组件 ，以便植入人体。如果这些组件能够制成无需外科医生从外部介入、便可改变形状和功能的材料，其用途还会更多。个性化设计的 心脏导管 就是一个很好的例子。
这是对自变形材料的概念验证，采用了简便的生产流程，并提供了一套现成工具，可用于定制和分析这一流程。即便如此，这也只是初步探索——未来我们希望制造出能够实现更复杂变形的大型结构，以及可用于人体内的微型模型。我们发现，这些变形可以反复施加和逆转，但材料使用一段时间后会发生退化，因此我们需要提高其长期耐久性。
4D打印有许多可探索的空间。如今，3D打印已经激发了我们的想象，不妨想想，在其中加入时间这一维度，会带来什么可能。
本文由 The Conversation合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认同其中的观点。
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作者：Dan是麻省理工学院媒体实验室相机文化小组的博士后研究员。
图片：2014年6月3日，在台北世界贸易中心南港展览馆举行的2014年台北国际电脑展上，一台Aurora F1 3D打印机正在打印一个小雕像。路透社。
