目前增材制造技术主要有3D打印和4D打印。其中，3D打印可以在打印区域的长、宽、高范围内成型任意复杂形状的部件，这就要求部件的形状、性能和功能始终保持稳定。4D打印在3D打印的基础上，结合自组装技术引入了时间空维度:通过材料或结构的主动设计，在时间和空维度上可控地改变部件的形状、性能和功能，以满足变形、退化和功能变化的应用需求。

因此，4D打印技术的本质是3D打印技术、可变形材料和新设计技术的统一:借助先进的多材料3D打印技术，以可变形材料为原材料，在准确预测材料变形的基础上进行动态设计，使最终产品具有所需的特性。这种独特的能力使得4D印刷技术有可能生产出具有共产党性功能的产品，从而改造产品的制造、组装、储存、运输等环节，非常适合国防领域的需求。

01 4D打印技术与3D打印技术的区别

3D打印技术是一项诞生于1984年的快速成形技术，通过计算机辅助工具，将三维数字模型逐层堆叠成形。而4D打印技术则更进一步，采用新型材料和先进设计技术，使制造出来的实体形状、性质能够可控变化，从而实现特殊功能。

3D打印技术是诞生于1984年的快速成型技术。通过计算机辅助工具，将三维数字模型层层叠加。4D印刷技术更进一步，采用新材料和先进的设计技术，使制造的实体的形状和属性可以可控地改变，从而实现特殊功能。

3D打印与4D打印技术的比较

第一，印刷材料不同。3D打印技术通常使用热塑性、金属、陶瓷等形状稳定、不易产生大变形和性变化的材料；4D印刷技术使用可编程材料，可以在特定条件下产生特定的变形和性变化，从而赋予产品更多的功能。

第二，变形和变性的能力不同。3D打印技术力求使制造出来的产品形状和性能稳定，尽量减少产品的变形和性变；4D印刷技术充分利用了产品制造后的变形和性变化，使产品可以根据环境条件的变化产生不同的功能。

第三，设计方法不同。3D打印采用立体静态设计，设计师只需要设计产品的单一形状和性能。4D印刷要求对产品进行动态预测，不仅要设计产品的最终形状、性能和功能，还要根据材料的特性对材料进行规划，设计产品的中间形状和性能。

02 4D印刷技术发展史

4D打印技术于2013年由麻省理工学院首次进行展示：将采用4D打印技术制作而成的聚合物链条置于水中，链条自动折叠形成预先设计的形状。这种链条由两种材料采用增材制造而成，一种在水中膨胀，另一种体积不变。遇水膨胀的部位压迫其他部位产生形变，形成预定的形状。此后，4D打印开始逐渐受到不同学科研究人员的关注，在设备、材料、软件、设计等技术方面开展相关研究。

4D打印技术于2013年由麻省理工学院首次展示:由4D打印技术制成的聚合物链被置于水中，链会自动折叠形成预先设计的形状。这种链条由两种材料加添加剂制成，一种在水中膨胀，另一种体积相同。当水膨胀时，其他部分受压变形，形成预定的形状。此后，4D印刷逐渐引起了不同学科研究者的关注，在设备、材料、软件、设计等技术方面开展了相关研究。

可编程物质执行器(左)和自动折叠机器人

4D印刷技术的诞生可以追溯到2007年DARPA开展的“可编程材料”项目研究。该项目旨在开发一种在软件控制或外部***的条件下，能够转化为理想或有用形态的智能材料，实现材料按需求就地快速制造，使军事装备能够按指令改变形状。DARPA设想的可编程材料是一种智能材料，它包括驱动和传感机制，可以在软件的控制下或外部条件的***下变形为有用的形状。可编程材料的设想应用包括三维实体显示、可变形天线、可重构电子设备和多功能现场制造设备。

DARPA计划从模块化机器人、新材料、纳米技术、MEMS等领域开展可编程材料的研究。共有包括麻省理工学院在内的五所大学的研究团队参与了这项研究。在这个项目的支持下，麻省理工学院的研究团队开发了一种可编程的物质致动器，可以根据温度的变化展开或折叠，并以此为基础制造出可以自动折叠成飞机或轮船形状的机器人。

此后，麻省理工学院在DARPA的资助下继续开展一系列可编程物质方向的研究，并于2011年建立了自组装实验室，最终促成4D打印技术的问世。

此后，麻省理工学院在DARPA的支持下继续开展了一系列可编程材料方向的研究，并于2011年建立了自组装实验室，最终促成了4D打印技术的问世。

4D印刷材料根据它们对不同类型***的反应进行分类

03 4D印刷技术的特点

3D打印技术将原材料像“砖块”一样以各种方式层层堆叠，具有设计自由度高、无需模具的优点。4D印刷采用特别设计和准备的新材料，使这些“砖块”能够感知外部条件，从而导致形状、性能和功能的变化。可以看出，3D打印用于成型结构或功能部件，而4D打印用于成型智能部件。

因此，4D印刷技术具有以下优势。一是特殊产品的制造，如便于物流运输的自组装设备、可自我修复的自愈装甲、特定情况下可自毁的高科技设备等。二是进一步提高设计的自由度。如果说3D打印帮助设计师摆脱了可制造性的约束，那么4D打印则打破了装配的约束，让设计师不必完全拘泥于装配约束，设计出传统装配方式无法装配的高性能产品。三是降低成本。借助该技术，小型增材制造设备可以先制造小批量的中间产品，再将中间产品转化为所需的大型中型空结构产品，从而节省设备成本。此外，借助产品的可变形性、变性和可变功能，该技术还可以降低组装、物流和储存的成本。

新型材料的应用是4D打印技术实现的基础和关键。以变形为例，4D打印所使用的材料根据对不同***类型的响应，可以分为热响应材料、光响应材料、电响应材料、湿度响应材料以及磁响应材料等。热响应材料的变形主要由材料的形状记忆效应或形状变化效应驱动；光响应材料以及电响应材料通过吸收光线或电流的能量并将其转化为热量导致形变，从而实现材料对光或电的间接响应；湿度响应材料采用具有极高亲水性的聚合物材料，通过吸收水分使自身体积膨胀实现变形；磁响应材料是将纳米磁性颗粒与其他材料相结合形成，因而能够对磁场变化作出响应。

新材料的应用是实现4D印刷技术的基础和关键。以变形为例，4D印刷中使用的材料根据对不同类型***的反应，可以分为热敏材料、光敏材料、电敏材料、湿敏材料和磁敏材料。热响应材料的变形主要由材料的形状记忆效应或形状变化效应驱动；光响应材料和电响应材料吸收光或电流的能量并转化为热量引起变形，从而实现材料对光或电的间接响应；湿敏材料是亲水性很强的高分子材料，通过吸水膨胀体积实现变形；磁响应材料是纳米磁性粒子与其他材料结合而成，因此可以对磁场的变化做出响应。

麻省理工学院开发的可编程木材可以随着温度和湿度而变形

目前4D印刷使用的成型技术主要有喷胶印刷、熔融沉积成型、直写成型、立体光刻成型等。这些成型技术源于3D打印，并已应用于4D打印。

喷胶印刷是一种非接触印刷技术，通过喷射细小的胶滴，具有成型精度高、生物相容性好的特点。它已经应用于活细胞生物打印和4D打印，具有在空之间可调的过滤器。

熔融沉积成型技术利用喷嘴将熔融的热熔材料逐层堆积固化，具有工艺简单、成本低廉的优点。它已成功应用于自折叠和自卷曲超材料的4D印刷。

直写成型技术利用高压喷嘴喷射粘弹性材料进行沉积成型。目前，紫外光辅助直写成型技术应用于制造可伸缩、自愈合的形状记忆材料。由于弹性体材料的自愈合特性，该技术在生物医学领域具有广阔的应用前景。

光固化快速成型技术利用激光对材料进行逐层聚合，具有打印精度高、材料选择多样等优点。这是形状记忆聚合物最常用的印刷方法之一。

04 4D印刷技术发展趋势

4D打印作为一项新兴技术，目前正处于快速发展阶段，国际上针对4D打印技术的研究主要围绕4D打印材料的拓展、成型技术的创新、设计工具的开发等方面开展，并已取得了一定的成果。

4D印刷作为一项新技术，目前正处于快速发展阶段。国际上对4D印刷技术的研究主要集中在4D印刷材料的拓展、成型技术的创新和设计工具的开发上，并取得了一定的成果。

4D印刷制作的装置可以通过升温实现抓取功能

4D印刷材料的种类不断扩大，功能更加多样。新材料是4D印刷的关键元素之一。4D印刷使用的材料需要在不断变化的环境下实现自变形、自组装、自适应等功能。因此，材料的膨胀成为4D印刷技术的重要研究方向之一。经过几年的发展，4D打印材料的种类已经从水凝胶等高分子材料扩展到复合材料、有机材料和陶瓷材料。

2014年，麻省理工学院的研究人员开发了更多种类的4D打印材料，包括木材、碳纤维、纺织复合材料和橡胶，进一步扩大了4D打印技术的应用范围。

2018年8月，郁躁的家邦城市大学的研究团队采用聚合物和陶瓷纳米粒子开发出新型“陶瓷墨水”，并以此打印出柔韧、可拉伸的陶瓷前体，克服了陶瓷前体通常难以变形的限制，最终在热处理的作用下得到坚固的陶瓷，首次实现陶瓷材料的4D打印以及复杂折叠结构陶瓷的制造。这项新技术具有低成本、机械稳定性高、可自主变形等优点，有望应用于航空航天推进部件、空间探索设备、电子设备和高温微机电系统等领域。

2018年8月，***城市大学研究团队利用聚合物和陶瓷纳米粒子开发出一种新型“陶瓷墨水”，并用其打印出柔性可拉伸的陶瓷前驱体，克服了陶瓷前驱体通常难以变形的局限。最终在热处理的作用下获得固体陶瓷，首次实现了陶瓷材料的4D打印和复杂折叠结构陶瓷的制造。这种新技术具有成本低、机械稳定性高和自变形的优点。有望应用于航空航天推进部件、空空间探索设备、电子设备和高温MEMS。

Cyborg软件模拟4D印刷过程中的实际变形

4D印刷技术不断创新，其应用领域向多方面发展。在4D印刷技术中，印刷出的智能材料能够按照设计预期实现自组装、自修复、自变形的功能，也是一个不可忽视的环节。新材料的不断扩展给成型带来了更多的挑战，而先进的设计技术需要实现多种材料的同步精确印刷，因此成型技术的创新成为4D印刷研究的热点问题。

2016年8月，麻省理工学院利用微立体印刷技术首次实现了微米级可变形材料的4D印刷。即使印刷品受到极大的压力或扭转，只要放在合适的温度下，几秒钟就能恢复原状。研究人员利用这项技术制造了一种小型夹持装置，它在室温下处于打开状态，加热后再变为夹持状态，从而实现抓取功能。该技术未来有望应用于航空航天结构、太阳能电池、生物医疗设备等领域。

2018年6月，美国弗吉尼亚理工大学的研究人员开发了一种集成树脂运输的多材料可编程增材制造技术。该技术具有树脂的现场混合、输送和转化功能，并可实现自清洁。可用于微尺度多材料增材制造，避免不同材料之间的交叉污染。这项技术为4D印刷向监控发展开辟了道路。

4D印刷设计软件开发支持创新产品设计。4D印刷技术直接将设计嵌入到材料中，简化了从设计概念到实物的制造过程。然而，这种制造方法也给设计工作带来了新的挑战。设计师需要预先预测材料在不同条件下的反应，并以此为基础开展设计工作，于是4D印刷软件应运而生。

Autodesk公司开发出名为Cyborg的设计工具软件，能够用于优化4D打印设计。该软件通过相互耦合的软硬件工具进行模拟，取代了传统模拟软件先模拟再构建或者先构建再调整模拟的模式，能够模拟4D打印过程中的实际形变，并允许使用者创建专用设计平台进行优化设计。

Autodesk公司开发了一款名为Cyborg的设计工具，可用于优化4D印刷设计。软件采用软硬件工具相互耦合的方式进行仿真，而不是传统仿真软件的先仿真后构建或先构建后调整仿真的模式。它可以模拟4D印刷过程中的实际变形，并允许用户创建一个专门的设计平台进行优化设计。

“Tai空Fabric”由NASA开发

麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室开发的名为Foundry的软件可以帮助设计师根据设计需求为3D数字模型的不同部分分配不同的材料，从而轻松实现多材料3D打印，并为4D打印的设计提供支持。

05 4D印刷技术军事应用前景

由于4D打印技术在产品制造、装配、存储、周转等环节具有其他制造技术无法比拟的优势，可以实现许多特殊功能，具有产生新一轮技术变革的潜力，因此得到了军方的持续支持。经过几年的发展，4D打印技术的应用已经开始出现在国防、军事和航空航天领域。据市场分析机构预测，到2025年，国防航空空航天应用将占4D打印技术50%以上的市场份额，成为4D打印技术最大的应用方向。

2013年，美国陆军研究办公室资助匹兹堡大学、哈佛大学以及伊利诺伊大学的研究人员研发4D打印材料，希望通过4D打印材料的突破，促使改变汽车涂料适应潮湿环境或碱性道路，改变士兵制服的通透性以抵御毒气或弹片，制造可随周围环境改变颜色的伪装设备和能实现自组装的武器。

2013年，美国陆军研究办公室资助匹兹堡大学、哈佛大学和伊利诺伊大学的研究人员开发4D打印材料，希望通过4D打印材料的突破，改变汽车涂层以适应潮湿环境或碱性道路，改变士兵制服的渗透性以抵抗有毒气体或弹片，制造出可以随周围环境改变颜色的伪装设备和可以实现自我组装的武器。

4D印刷材料、技术、应用和发展方向

2017年，美国国家航空航天局空 (NASA)利用4D打印技术制作了一种“Tai 空面料”。这种面料有两个不同的特点:光滑的块状金属表层可以反射阳光，而内部结构可以有效吸收阳光的热量。织物中的复合材料在温度的作用下膨胀和收缩，使金属表层展开或闭合，从而使织物

2018年，美国陆军士兵纳米技术研究所(ISN)使用含有磁性颗粒的弹性体复合材料打印出一种柔性机器人，有望在复杂的战场地形和狭窄的空房间中灵活地爬行、滚动、跳跃、抓取物体和输送药物；美国陆军研究工程中心也在积极开展4D打印技术的研究，希望能研制出能抵抗毒气的制服、能随周围环境改变颜色的伪装设备、能实现自我组装功能的武器。

未来，随着智能材料、智能设计等技术的进一步发展和成熟，4D印刷在军事领域的应用将更加广泛和深入。

以4D技术为基础，有望开发出可快速打印并直接投入使用的高性能无人机或机器人，实现武器装备的现场制造；有望设计出能够根据飞行条件自动改变气动外形的机翼，从而增强武器装备的服役性能；有望制造出无需人工组装、节省运输空的武器装备，提高武器装备的后勤保障能力。最终的4D打印技术将改变传统武器装备的制造工艺和后勤保障模式，使武器装备发挥更强的作战效能。