作者：陈根
出版社：机械工业出版社
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4D打印：改变未来商业生态试读：
前言
相比较于3D打印的蔚然成风，概念已被提出两年多的4D打印稍显冷清。4D到底是怎么一回事？那突如其来的一个“D”又是如何横空出世的呢？
在开始探秘4D打印之前，大家先看一下人类繁衍的过程：
男人的精子和女人的卵子搭配、组合，形成一个全新的细胞，而那里面便是组成“我”的原材料——23对46条染色体。每条染色体上都带有一定数量的设计因子，我们称之为“基因”，它支持着“我”生命的基本构造和性能，储存着“我”的种族、血型、孕育、生长、凋亡过程的全部信息。
在材料准备充分之后，“我”便被“打印”出来，而这个打印的载体便是母亲。从那以后，“我”便在时间维度的延伸下，在万物环境的“催化”中，开始了生、长、病、老、死的变化；并且还将进一步演绎着生命繁衍、细胞分裂和蛋白质合成等重要的生理过程，周而复始。对于这个过程，大家可能都不太陌生，而且理所当然也都理解。
言归正传，那么4D打印到底是怎么回事呢？
如同人类繁衍过程，4D打印可通俗地理解为：每一条染色体所蕴藏的基因密码，便是物体最原始的设计程序编码；而我们这一生的成长过程，也就是人类这个“4D打印物”，在时间这个第四维度基于万物环境的“催化”而发生的组织变化。
换而言之，4D打印与3D打印的最大区别就在于：3D打印就像现在所有的制造过程一样，是造物呈现的终结；而4D打印则是造物呈现的开始，就像人类的诞生一样。
当然，这只是基于作者的个人理解对4D打印做出的比方。为了让大家能更立体、全面地了解“犹抱琵琶半遮面”的4D打印，我们再来看看百度是怎样解释4D打印的。据百度百科词条信息：所谓4D打印，比3D打印多了一个“D”，也就是时间维度，人们可以通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。准确地说，4D打印是一种能够自动变形的材料，直接将设计内置到物料当中，不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。
事情就是这样吗？还是让我们再来看看4D打印的前世今生。
2013年2月26日，在美国加州长滩举行的TED2013大会上，麻省理工学院（MIT）建筑部讲师斯凯拉·蒂比茨（Skylar Tibbits）将一种新颖的材料组合用于3D打印机，制造出了一种线状物体，该物体放入水中时，能改变形状组成字母“MIT”。这一效果是通过将吸水聚合材料与碱性塑料相结合来实现的，这种技术被定义为4D打印。“我们想要说的就是，你设计出产品并且打印出来，而它能够进化。它就像在材料中植入了智慧。”蒂比茨在一次采访中说道。
2014年10月8日，美国《外交》双月刊发表了题为《准备迎接4D打印革命》的文章。作者牛津大学圣安东尼学院荣誉学者纳伊夫·鲁赞在文章中称，4D打印的可能应用是无穷的：数字化制造的真正前途在于第四维度空间——打印根据编程随时间而变化的物体。
基于此，我们可能很快将看到，科幻的梦想接入现实。
设想一下，伴随着4D打印的到来，城市的地下管道系统利用可编程的材料，每条管道能适应变化的环境，通过扩大或缩小来调整容量和流量，而且管道在受损时还能自行维修或在报废时分解，这将解决多大的城建维护难题呀！
应用于生物医疗领域的4D打印更是神乎其神，它将大大改变现有的医疗状况。在3D打印时代，我们已经能够利用3D打印的心脏、肢体骨架等替换人体衰老病变的器官，而4D打印的出现，无疑将给我们带来更多的优化方案。例如心脏支架的更换将不再需要“动刀”了，可以通过4D打印液态的支架，然后通过血液循环系统将携带设计方案的智能材料注入，等其到达心脏指定部位后，再自我组装成心脏支架。更有甚者，就如最新的科学研究所告诉世界的，人类的DNA是可以修改的。先撇开道德层面不谈，通过对DNA的编辑，至少给人类永葆健康打开了一扇窗，而4D打印将是打开这扇窗的一把金钥匙。
第一章 4D打印：自我进化的“造物主”
当我们的设计师还在为新产品构建计算机模型，让图形渲染最大限度地趋向精致与完美的时候，一个可以让我们拿捏在手上任意把玩各个局部细节的3D模型，赋予了人类更大的信心将产品设计做到极致。因为在计算机上看一个设计作品的时候，很多隐性的缺陷并不会明显地表露出来；而当通过一个物理概念模型展现出来的时候，设计师可以真实地看到并触摸到产品，由此让设计缺陷暴露无遗。
4D打印把智慧植入材料
在传统的思路模式和制造工艺条件下，当设计过程中需要检验产品不同部分的状态、适合度和功能性时，就需要由熟练的工艺师使用劳动密集型的车间技术创建产品的功能原型。为生产大量的产品原型而花费几个星期和成千上万资金的情况并不少见。相较之下，应用3D打印技术，则可以在几个小时内制作完成所需的功能模型，致使整个产品设计制作过程变得非常迅速而便捷，这也就最大限度地降低了产品的设计制作成本。
当我们还沉浸于3D打印技术带来的变革红利的时候，4D打印技术已经让快速建模产生了根本性的转变。相较于3D打印技术的预先建模、扫描，然后使用物料成型，4D打印技术则直接将设计内置到物料当中，简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程。让物体如变形金刚般“自动”创造，在简单的基础打印之后，不需要再连接任何复杂的机电设备就可以自行创造出所需的预设产品。
就如所有物体都因为时间而存在一样，物体形状的改变也需要时间。在时间的维度下，利用特殊材料加工的物体，在一些外界激活因素的作用下，其形状能够自行发生改变。与3D打印中预先建模然后使用材料打印不一样，4D打印的逻辑是，先用3D打印机打印出一种刚性的智能材料，然后将这种材料与上述外界激活因素结合，从而按照预先设定的路径完成物体形态的改变。
传统上造物过程一般都是先模拟后制造，或者一边造物一边调整模拟效果。而通过硬件和软件的紧密结合，4D打印技术则颠覆了传统的造物方式。3D打印不仅让造物变得简单、快捷、精准，而且还十倍百倍地压缩了造物成本。4D打印技术则是对3D打印造物方式的再次升级，化传统造物工艺于无形。
4D打印的核心在于创造出能够在打印出来之后发生形变的物体，让它们进行自我调整。由此一来，打印将不再是创造过程的终结，而是仅仅成为一个转向点。“我们这里所说的是，你设计了某些东西，打印出来，它还能够进化……”美国麻省理工学院4D打印项目研发负责人斯凯拉·蒂比茨表示，“这就像把智慧植入到了材料当中。”一辆车将能够应付下雨天，一个咖啡杯也可以根据咖啡的不同温度做出调整，正如斯凯拉·蒂比茨对“科技、娱乐、设计”（TED）大会的听众所说，“想象一下如果水管能够自己膨胀或收缩，或者甚至自己起伏波动来传送水流。”4D打印让物体在一定的介质条件下，实现让物品变形幻化出无限种形态与规格物体的可能。
4D打印让产品变得“任性”
4D打印与当前热门的机器人及人工智能不同，我们面对人工智能或许会有一丝担忧，未来到底是人控制着机器还是机器控制着人。对于4D打印则完全不必有这种担心，它所赋予材料的自我逻辑变化只是特定的组装变化，但这并不影响它能够创造出拥有自我变化智慧、又适应环境变化要求的新事物。不仅如此，它将彻底改变当前的3D打印以及相关行业，比如建筑、家具、管道、服装、玩具、军工等产业，与当前火爆的3D打印相比，4D打印将具有更广阔的发展前景与影响。
比如当前以设计与便捷组装为核心的宜家家具（图1-1），尽管与传统家具相比在运输、组装方面具有明显的便捷优势，但还是需要花费人工进行组装。而借助于4D打印则完全不同，4D打印所拥有的不只是更为智能，而是所打印的物料可自我“创造”。我们所购买的或许只是一块多个层次的板材，但在运送到指定地点，并在指定的时间给予特定的触发介质，不论是水、气体、声音等，就能触发其自我组装成型（图1-2），而不再需要借助于人工或者外力。图1-1 宜家家具图1-2 自组装家具
斯凯拉·蒂比茨认为，4D打印这项技术能在普通3D打印的基础上，让被打印的物体获得根据环境因素（比如声音、光、热和水等）的不同而改变形状的能力。斯凯拉·蒂比茨说，4D打印技术的关键是材料，那些已知的、会因为环境因素的变化而变化的材料，比如记忆合金，借助于这些材料，再根据我们希望得到的变化来组合这些材料，并最终进行打印。
而4D打印的终极发展目标就是实现一种上文所探讨的科幻般的场景，比如去宜家买了一套家具，不需要我们手动来组装了，它们能自我组装起来。
牛津大学专家说4D打印
牛津大学圣安东尼学院荣誉学者纳伊夫·鲁赞曾在美国《外交》双月刊网站2014年10月8日发表题为《准备迎接4D打印革命》的文章，文章称4D打印的可能应用是无穷的。
引用中国航空工业发展研究中心对于该文章的概括，大致有以下三方面：（1）4D打印技术是3D打印技术与新颖材料技术的结合，更具革命性。
4D打印技术的本质是用3D打印技术打印可根据设计随时间产生变化的物质。大西洋理事会的最新报告提出，4D打印技术不仅具有3D打印在经济、环境、政治和战略方面的重要意义，还可将虚拟世界的数字化信息（编程信息）“映射”到物质世界的具体物体。《外交》网站的文章指出，研究表明，数字化制造的真正前途在于打印可根据编程而随时间变化的物体。3D打印的物体是静态的，需要人工控制，4D打印的物体能够自动对环境作出反应，自行组装、修补或变形。该领域的进步将更多地依赖材料本身，而非打印技术。（2）4D打印技术已在实验室环境得到初步证实，并在许多领域具备应用前景。
美国麻省理工学院已在实验室环境下初步证实了简单的4D打印技术。该学院的建筑师斯凯拉·蒂比茨将吸水性聚合材料与碱性塑料结合，制成了一种可用于3D打印设备的新颖材料，并通过3D打印用该材料制造出了一种线状物体。当该物体被放入水中时，就能自动改变形状，组成字母“MIT”（“麻省理工学院”的英文简写）。《外交》双月刊网站的文章认为，4D打印综合了各种技术、方法和学科，具有广阔的应用前景。例如，该技术制造的产品可以用于长期受容量固定和维护成本高昂因素困扰的地下管道系统，利用可编程材料，可使每条管道都能适应变化的环境，通过扩大或缩小来调整容量和流量，甚至还能在受损时自行维修或在报废时分解。文章特别指出，4D打印技术可以用于国防领域。美国陆军已经开始利用3D打印技术现场制造用于阿富汗前线的新装备，而4D打印技术可以让军方制造出外壳可适应各种地形的车辆，或者能否发现有毒气体的制服。（3）4D打印技术可能带来一些应用风险和负面影响。《外交》双月刊网站的文章认为，与其他众多新兴技术一样，4D打印也有令人担心的风险和负面影响，在生物领域可能出现的应用风险尤其值得关注。例如，哈佛大学的研究人员已在借助4D打印技术，利用制造DNA链对抗癌症的纳米机器人，由于这种应用所使用的工具在当今世界可以轻易获得，因此一些人可能利用此类技术来制造新的生物武器。另外，许多伴随3D打印技术推广应用的风险，同样也会伴随4D打印技术的发展，例如成为犯罪分子利用的手段（已有人通过3D打印自行制造出手枪和手铐钥匙）。最后，虽然4D打印技术可以使工业制造商有更多的途径来定制产品，从而进一步缩短供应链，但这也将危及技术工种，并使产品问责及知识产权问题变得越来越复杂。
对于4D打印无穷的可能应用，我们可以进行无限的遐想。设想一下长期受容量固定和维护成本高昂因素困扰的地下管道系统，利用可编程的材料，每条管道都能适应变化的环境，通过扩大或缩小来调整容量和流量，甚至还能在受损时自行维修或在报废时分解。
再设想一下4D打印技术应用于国防工业的可能性。美国陆军已经开始利用3D打印技术研发用于阿富汗前线的新装备。4D打印技术可以让军方制造出具有能适应各种地形的外壳的车辆，或能发现有毒气体的制服。
当然，4D打印不会没有危险和负面影响。许多围绕3D打印的担忧还会继续存在，该技术也有被犯罪分子利用的可能性（已有人通过3D打印机制造出手枪和手铐钥匙）。制造商将有更多途径来定制产品，从而进一步缩短供应链，这可能危及技术工种。有关产品问责的问题和知识产权问题也会越来越复杂。
和其他众多新兴技术一样，4D打印结合了各种技术、方法和学科。而最令人担忧的风险可能出现在生物领域。研究人员借助4D打印的原理，利用DNA链造出了对抗癌症的纳米机器人。双重用途同样带来切实的担忧，由于能够轻易获得必要的工具，一些人可以利用此类技术来制造新的生物武器。
4D打印原来如此
既然4D打印的关键并不在打印机上，而是通过软件设计到打印模型中，此时毫无疑问的就是设计的软件是继打印材料之后的又一关键技术。当然，4D打印技术所带来的颠覆是深远的，为了抓住这一机会，并充分应用与推动好这一新技术，Autodesk公司的研发团队为此专门设计了一款新软件Cyborg，主要是借助于计算机模拟技术原理，根据自我组装和可编程材料的原理进行模拟设计，以此帮助用户实现设计的优化和材料折叠关系的处理。
4D打印与3D打印截然不同的是，3D打印革新的关键是打印机技术以及材料，而4D打印革新的关键是模型设计或者说模型编程以及材料，而这两者之间的材料却不在一个层面。可以说3D打印的逻辑是通过预先建模再通过打印机打印出最终的成品，而4D打印的逻辑则完全不同，是把产品设计以及时间通过3D打印机嵌入可以变形的智能材料中，在特定的触发介质下进行激活，所打印的模型或者材料就会进行自我组装。
这一过程不需要人的介入而实现组装，也无需人为干预。并且在打印模型的过程中也不需要植入电子元件或者机电设备，是一种纯材料通过触发实现的自我组装、变形，最终搭建出用户原先设定的模型。也就是说4D打印出来的初级模型或许是一块板（图1-3），但借助于特定介质的触发，在特定的时间内可以自动、自我组装成一张桌子或者一把椅子（图1-4）。这个过程不需要借助于人工，也不需要借助于任何外部工具，完全由材料自身按照事先的设计进行自我组装。这正是4D打印颠覆了传统的制造与商业以及服务的魅力所在。图1-3 塑料板图1-4 塑料椅子、桌子
第二章 4D打印之我见
如果3D是神笔，4D则是金箍棒
3D打印不是新鲜事物与概念，其存在已有一段时间，早期大部分的应用基本上是与加工中心配套做设计的模型手板处理，为研发与工业设计的创作提供服务，显然其在材料、性能、精准度上都有明显的缺陷。当然也受制于产业技术发展的一些限制，其中不可否认的是资本、人才以及社会趋势对3D打印发展的限制影响。随着移动互联网所带来的整个社会与商业形态的改变，包括创客的兴起，促成了3D打印产业的爆发，尤其是2013年。
当然，3D的爆发既是产业演变的趋势，同时它能被大众迅速认知并接受也跟我们的“梦想”有关。很多人都听说过神笔马良的神话故事，同时也向往着拥有这样一支神笔，可以勾画出自己的梦想并实现。尽管这是一则神话故事，但当与3D打印结合的时候，我们似乎看到了这则故事即将实现的可能。不论是人、器官、食物、武器，只要我们能够通过计算机将三维模型设计出来，3D打印机就能为我们打印出来。
如果我们不会计算机三维设计也没有关系，配合着三维扫描仪，只需要对想打印的实体进行扫描，借助于计算机系统就能为我们自动生成3D模型，再输入3D打印机进行打印。科技的进步速度总是超乎人们的想象，在我们还停留在专业的3D打印机认知层面的时候，3D打印机已经悄然地发展到了桌面级，甚至正在走入千家万户。不仅如此，更小的3D打印机也呈现在了我们眼前，它就真如马良手中的那支神笔，我们只需要拿着3D打印笔直接绘制，在绘制的同时也就是一个打印的过程。
因此我们可以形象地理解3D打印就如同马良的神笔，可以为我们打印的不仅仅是模型，更重要的是打印想法。我们可以根据自己的想法创意一个独具特色的杯子，而后通过3D打印实现；也可以根据自己的想法创意一双独特的鞋子，而后通过3D打印为我们私人定制；还可以根据自己的创意想法通过3D打印为我们打印一桌不仅能吃，而且具有艺术造型美感的食物。3D打印的发展对我们的未来生活与商业形态带来了很大的影响和改变，为我们提供了无限的畅想空间。
如果说3D打印因为是神笔而被赋予了梦想的价值，那么4D则如同孙悟空的金箍棒，这根金箍棒想必是大家都熟知并且都向往拥有的一件神器。今天，这根只存在于小说中的金箍棒伴随着4D打印技术的到来，从小说中走到了我们的现实生活中，唯一不同的是它是由3D打印出来的具有金箍棒功能的新型技术。
在4D打印的世界里，我们可以赋予打印体特定时间或者特定条件下自动发生改变的特性，成为自我变化、自我组装的物体。例如，我们打印的是一根圆形棒，但它却可以在一定的触发条件下自动变形成为一个方立体，或者变化成其他的一些形态。
比如对于经常出行的人群而言，不同的出行条件需要不同容量的行李箱，于是我们的家中不得不备多个行李箱，或者是勉强使用一个并不符合出行行李要求的箱子。当我们借助于4D打印技术打印一个行李箱时，就不会出现这些困扰的局面，它可以根据不同容量所产生的压力大小自动放大、缩小，也可以根据我们所装行李的不同形态自动改变、组装。这就是4D打印所带来的金箍棒式的科技世界，并且将很快进入大众的生活中。如果说3D将影响与改变商业，那么4D显然所带来的改变与影响将更加深远。
变幻莫测的数字化制造
Nervous System是一家集科学、艺术和技术于一身的设计生产工作室，从2009年开始使用3D打印细胞周期这个项目。据其联合创始人Jessica Rosenkrantz介绍，细胞周期是一个基于网络应用的项目，它允许人们设计属于自己的复杂的、蜂窝状的珠宝和雕塑，还能在网络上出售并进行3D打印。
Jessica Rosenkrantz表示，3D打印这种数字制造过程能够制作其他方法无法做出的复杂、有机形式的物体，同时还能够打印出独一无二的定制产品。比如，通过3D打印机可以在不断开项链的情况下将物体打印出来，甚至，有些3D打印机还可以直接打印出运转的零件，比如由多部分组成的变速箱。
从Jessica Rosenkrantz的介绍中我们可以捕捉到这样的信息，3D打印技术的应用最终将是“直接数字化制造（DDM）”的发展，即DDM使用3D打印制造出最终产品或部分零件。而且，DDM已经在不同行业获得应用，如航天航空、珠宝制作、牙科科技、玩具生产以及品牌家具设计和定制太阳镜等时尚单品的制造。
而紧随3D打印的脚步很可能后来居上的4D打印技术，更是将相关数字化参数预先植入到了用于制造物品的原材料中。这就好比人类的诞生，男人的精子和女人的卵子搭配、组合，形成一个全新的细胞，而里面每条染色体上所含的基因，储存着其种族、血型、孕育、生长、死亡过程的全部信息。而当生命个体从母体中诞生出来后，便开始在基因密码的作用下，发生着生、长、病、老、死的变化；并且还将进一步演绎着生命繁衍、细胞分裂和蛋白质合成等重要的生理过程，周而复始。
4D打印让空间集约化
3D打印技术的应用，对现有的技术革新和工业实践所带来的变化和影响可谓翻天覆地。但是，这还远远没有达到工业技术革命所预期的极致。在这个时候，呼之欲出的4D打印给人类社会带来了另一种期望。
基于3D打印技术的“概念模型”创建，让产品在制造前期便能以物理形态的方式展现出来，这大大提升了产品设计及模型构建的精准度。但是这些实物打印也对打印空间和技巧提出了非常严苛的要求，这也就在很大程度上掣肘着3D打印走向“平民化”。由此，在3D打印技术基础上得到发展和演化的4D打印，让产品的设计与模型的构建都得到最大限度的简约化，让实物打印不再禁锢于成型的体积与空间。
日前，数幢使用3D打印技术建造的建筑亮相苏州。这批建筑包括一栋面积约为1000平方米的别墅、一栋5层居民楼和一栋简易展厅等，建筑的墙体由大型3D打印机喷绘而成，一套房子一天时间就能打印完成。打印成果令人叹为观止，这幢售价8000万的别墅3D打印只要100多万。
这台让打印别墅的梦想跨入现实的“打印机”，是一部高6.6米、宽10米、长32米，底部占地面积有一个篮球场大，高度有三层楼高的巨型“庞然大物”，而且其打印出来的产品宽度只能是1.2米。根据电脑设计的图纸和方案，由电脑操控一个巨大喷口喷射出“油墨”，喷头像奶油裱花一样，油墨呈“Z”字形排列，层层叠加，很快便砌起一面高墙。之后，墙与墙之间像搭积木一样垒起来，再用钢筋水泥进行二次“打印”灌注，连成一体。
3D打印让这梦幻般的构想成为了现实，但是庞大的“打印机”和大小受限的打印产品无疑将掣肘3D打印技术的应用。这个时候，对3D打印进行技术和维度延伸的4D打印，将在很大程度上解决3D打印在模具及产品制作中存在的体积大小与产品异形等问题。
在打印前期的产品设计阶段，设计师便在产品设计过程中通过对原材料进行介质、时间等参数的设计与植入，让所打印的产品能通过一定介质的催化，进而产生变形与重组，从而实现产品的成型再构造。这将在最大程度上降低产品打印的难度，最大限度地提升在不同时空维度对产品打印的可能性。
比如，同样是苏州的这幢别墅，如果运用4D打印技术，那又会是一番怎样的景象呢？首先，打印机必将不再是那个“篮球场大，三层楼高”的庞然大物，而将是一个更小巧精致的“打印”神器，它可以在打印过程中，通过更高技能的设计参数植入，让打印出来的产品具有“变形”的功能。同时，其打印的产品自然也就不会再局限于1.2米以内的宽度。虽然打印机打印出的产品很小巧，但是该产品在介质中能够无限延伸，就好比孙悟空的金箍棒，凭借“大”、“小”的咒语，可以小至一枚银针，也可以大至钻天入地。而且，4D打印出来的产品，不仅大小可变，形状改变亦不在话下。
在有限的空间里，通过参数的设计与植入，继而打印出无限的可能性。这些在原材料中被设计植入各种变化参数的产品，将在所要求的时间和空间维度上进行绽放和展现，完成其4D打印的完美旅程。4D打印的一切神奇与不可思议，便是如此的简约而不简单。
双重扫描的联合
如果我们要实现3D打印，除了打印机与材料之外，我们必须要有一个3D模型，但就目前的情况来看，3D模型的设计还很专业，一般用户很难制作出像样的3D模型。
一家名为Volumental的公司在这方面进行了研发，让普通用户根据自己的想法借助于软件完成3D模型的设计。其所提供的应用程序就是可以让人们很简单快捷地制作3D模型，用户只要一个深度相机（depth camera）把所需要3D打印对象拍下来，并把数据传给Volumental的应用程序，用户就可以在网页上得到3D模型。
Volumental提供的3D扫描的商业应用很广泛，比如可以用于定制个性化的商品，用户可以把自己双脚的3D数据传给商家，商家根据用户的尺寸定做鞋子，当然，用户也可以把自身整个身体的3D数据扫描出来，去定制合身的衣服。
Volumental与Intel还共同宣布了一个计划，他们携手改革在网上卖鞋这个行业，就是根据顾客双脚的3D数据来卖鞋，而这只是他们合作的第一步，未来他们会进一步合作去开拓新的业务。
已经有越来越多的公司开始把客户身体的3D数据应用到商业领域了，而随着4D打印技术所带来更大的延伸空间与更多的变化可能，这种基于扫描技术而自动生成的设计软件将会获得更大的空间。比如用户可以根据自己的想法，拍摄两张不同的照片，一张为初始模型，一张为自组装后的模型，系统软件将借助于扫描技术自动设计并合成自组装的过程程序。
对于服装而言，不久的将来我们不仅可以定制衣服，还可以同时将多件不同社交环境下的着装需求通过4D打印技术融合到一件衣服上，用户根据不同的社交环境要求对其进行触发，穿着在身上的时装将会在非常短的时间内完成自我组装。
而这变化还不仅局限于时间，对于爱美的女性而言，首饰、鞋子等都将会因4D打印技术的应用而变得多姿多彩。
4D打印超越你我认知
目前通俗地理解4D打印就是在3D打印的基础上增加时间元素，4D打印技术的首次提出是在洛杉矶举行的“科技、娱乐、设计”（TED）大会上，麻省理工学院自我组装实验室的科学家斯凯拉·蒂比茨通过一组产品的自我变形、组装演示，让4D打印技术正式走入我们的视野，让我们对这一新技术建立了认知。
在传统的维度概念中我们很难认知与理解4D的概念，从1D、2D到3D都是基于物理空间的维度层面所发生，也是我们视觉感官能够直观理解的层面（图2-1）。而4D似乎超越了我们目前三维空间维度的认知，其新增加的维度是我们看不到、摸不着，但又是时刻陪伴着我们人生的时间，这也就是目前对于4D打印的一种表述，4D打印，打印时间。图2-1 1D到4D
这并非是停留在未来学中的虚幻概念，它是麻省理工学院所研究的一项新技术，并且在TED大会上展示了这一技术。在整个展示过程中，一根4D打印的复合材料在水中完成了自动变形、组装。根据会上介绍（图2-2），打印这根复合材料的打印机并非新的神奇技术，而是由3D打印机“打印”，但所使用的原材料可谓神奇，为一根塑料和一层能够吸水的“智能”材料组成。蒂比茨称：“打印过程并不是新鲜的东西，但关键是打印出来后发生的变化。”这也正是4D打印技术的关键所在。图2-2 蒂比茨介绍4D打印
年仅28岁的建筑设计师、计算机科学家斯凯拉·蒂比茨是4D打印研究项目的负责人。他所发明的4D打印目前还只能在水里工作，也就是说其触发介质目前还只能是水。据蒂比茨介绍，4D打印技术背后的核心是自我组装技术，而这项技术已经在纳米级上应用多年。比如，自我折叠的蛋白质目前就获得了比较广泛的应用（图2-3），如果将这一技术进一步延伸，应用于建造大桥、高楼、生物器官、生活用品中，那将会颠覆我们的认知。这一技术的延伸就意味着4D打印技术进入生活应用层面并非遥不可及，而是触手可及，将以很快的速度来到我们身边。图2-3 自我折叠蛋白质
4D技术概念的提出正是来源于生物学，蒂比茨所演示的4D打印技术先是在生物分子学教授亚瑟·奥尔森的指导下，通过3D打印技术配合嵌入式磁铁，设计了一组可以自我组装的零件，只需用力晃动烧杯，杯中的零件就像有了意识一样，自动组装成一个脊髓灰质炎病毒的3D模型，这个实验就是4D打印技术的原型，也正由此证明了4D打印技术的可行性。
之后蒂比茨就开始了4D打印技术的商业应用探索，并拜访了目前世界最大的3D打印机生产商Stratasys公司的项目负责人，在交流过程中得知Stratasys公司最新在打印材料领域的研究获得了新的突破，该公司刚刚发明了一种可以在水中变形的高分子聚合材料，这种新材料的独特之处在于一旦接触到水，就可以自动延展到自身长度的两倍。
正是基于这一新材料的发明帮助蒂比茨快速研发出了4D打印这一新技术，借助于设计软件与3D打印机，蒂比茨将可延展和不可延展的两种材料混合打印到一根圆形体中，之后将这跟圆形棒放入水中，此时材料就发生了神奇的变化，自我弯曲、变形，似乎具有自我思考能力一样组装出了麻省理工学院的缩写“MIT”（图2-4）。图2-4 4D打印MIT
在此基础上，蒂比茨进行了更为复杂的二次实验，这次他又加入了更复杂的算法和设计。如果说第一次探索试验是在平面阶段的话，那么这次的探索则是在三维空间层面，也就是物体在三维空间层面的自我组装、变形（图2-5）。而这一次也同样是将所要自我变形的设计打印到一根圆形体中，而后将其放入水中，借助于水为触发介质实现自我组装、变形成为立方体。图2-5 MIT的4D打印技术
对于蒂比茨来说，这项实验显然取得了重大成功与突破，而这也正标志着4D打印技术的到来，将从实验室走出，走向大众生活中。由4D打印技术所带来的改变将更为深刻、彻底，比如目前困扰于各大城市的地下排水系统，如果将4D打印应用到管道的打印中，由4D打印技术建造出收缩自如的排水管道。当台风来临时，或者大暴雨来临时，城市的排水管道将自动变得更大，从而促进排水，而当水流量过去之后，管道又自动缩回为原来的大小（图2-6）。
这些管道还可以根据地下的空间情况进行弯曲、扭动以及特定位置的变形，我们不必担心其在地下破裂，也不必为洪峰来临的泄洪能力而困扰，它会自动根据水流量的大小而变形。不仅如此，在地质灾害频发的地区，这种管道甚至可以自我组装和修复。图2-6 可自变形的管道
第三章 4D打印面面观
4D打印的十大优势
4D打印技术的出现所引发的变革远大于3D打印技术，对于商业业态的影响，以及对制造业所带来的变革将是深远的。相对于制造业而言，4D打印技术将带来至少以下十大优势。
优势1：制造成本将大幅降低。不论是现代制造技术，还是基于工业4.0的制造技术，对于制造复杂或者个性化定制产品的成本都是偏高的，而且成本会随着部件的复杂程度同比例上升。同时，由于其零部件的复杂性，产品的组装成本也随之增加。
但借助于4D打印技术，不论是部件或是产品本身结构，难易程度显得并不重要，而且通过对整体产品的不同部件进行一体化打印，其自组装、自变形更是省去了组装的成本。制造业将会受益于4D打印技术，其成本将获得有效降低。
优势2：个性化定制成本不变。至少是在当前的制造技术与环境下，要想实现小批量定制的成本还是处于一个比较高的位置。更不用谈私人定制的产品，私人定制的成本或许要以艺术品的角度来看待。但对于4D打印技术而言，私人定制将比批量化制造更为简单，在传统制造中被认为是复杂或者简单的结构、工艺，对于4D打印而言都相对简单，且成本不会因部件的复杂程度而波动。
优势3：人工组装被取代。4D打印不仅能打印可组装的部件，并且打印的不再是一些部件，也不需要用户自行组装，而是最佳容纳空间的一种状态。而后根据用户的需要运送到指定地点放置好之后，在用户需要的时候可以直接给予其触发介质，所打印的物体就会自动组装，这就取代了当前依赖于人力进行组装搭建或拆解的方式，人力成本将会有效释放。
优势4：零库存的生产方式。对于生产制造企业而言，所有的商品是其资产也是其资金成本的核心部分，一旦销售周转放缓将直接导致其资金周转率降低，进而影响利润。而对于4D打印而言，将有效缓解这个问题，随时可以根据消费者的想法为其设计，并提供产品打印制造的服务，传统以库存销售的方式将被彻底替代。
优势5：创意空间被放大。当前对于很多设计师而言最痛苦的无疑是创意很丰满，现实的制造很骨感。满满的创意面对工程师的设计，以及传统加工制造技术，甚至被改得面目全非。但借助于4D打印技术，毫不夸张地说，只要设计师能描绘出来的创意构想，4D打印技术就能为其实现出来，这将让创意设计的价值获得充分释放。
优势6：制造的专业性被降低。当前的制造不论是简单或是复杂，都在一定程度上对生产工人提出了不同的专业、熟练程度的要求。对于一些复杂或是专业性要求高的制造领域，对于工人的专业技能则提出了更高的要求，而对于这些熟练技术工人的培育却不是一朝一夕，需要经过多年的训练、沉淀，这个过程中间还要确保所培养的技术人才不会流失。4D打印技术的应用将有效改善这一问题，大大降低对于复杂制造部件的专业技能要求，4D打印机将帮助我们完成这些复杂的工作。
优势7：制造环节被有效简化。大部分的产品通常都由多个零部件组装而成，不同的零部件需要不同的设备为其配套并制造，不仅占据的场地较大，而且投入成本高。4D打印技术则不同，只需要一台打印机，根据不同的材料以及用户所设定的不同部件形态为其打印不同的部件，不仅是部件，更是整体产品的打印，并且能自我驱动组装。传统制造的诸多繁琐环节将被有效简化。
优势8：不良率将成为过去时。传统制造企业最常规的一个考核指标就是不良生产率的控制，这也是决定着企业经济效益的关键指标。但在4D打印时代，不良率这个名词或将彻底被忘记，而决定着产品能否满足用户需求的问题将被转移至设计端。也就是说，未来决定产品是否合格的关键要素不再是制造环节，而是设计环节，由设计师决定。
优势9：材料无限组合。对当今的制造技术而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。尽管多种材料的混合注塑在一些领域已经被应用，但其成本与不良率都相对较高。而4D打印技术则不同，可以将多种不同材料通过同一台设备进行混合打印，不论是塑料、金属或是其他的合成材料，这也就意味着不久的将来一台完整的可变形汽车将以打印的方式生产制造。
优势10：批量一致性堪称完美。尽管现代制造技术借助于模具在一定程度上保障了产品生产的一致性，但还是会存在各种各样的差异，其精准性的一致很难获得百分百的保障。这在4D打印技术时代将获得彻底解决，对于4D打印而言，批量生产就如同复制数字文件般简单，而其一致性也将如数字化复制一样。不论是大批量或是小批量，4D打印技术都能有效地保障其一致性。
这些优势并不是科幻，3D打印技术已经实现了上述的部分功能，而4D打印技术的不断成熟，将带领我们进入新的工业时代，我们的制造方式、生活方式都将被4D打印重新改写。
制约4D打印的三大关键问题
3D打印发展至今，在资本、人才的快速推动下步入了高速发展期，但至今也未能获得普及，其核心原因必然是受制于打印设备的技术以及打印材料两方面。而4D打印这一新兴技术必然也面临着一些技术环节的制约，其中最主要的制约也是目前制约4D打印技术发展最为关键的瓶颈大致有三方面：
一是打印机的制约。一方面是打印大型工程，必须使用大型机器才能打印出所需要的大型材料，比如建筑方面或者是管道方面等对于打印机本身的要求比较高，并且对打印机的精度与可靠性也都有比较高的要求（图3-1）。图3-1 大型3D打印机
从目前的打印机技术来看，必然是较高的造价制约4D打印技术的普及与发展。另一方面则是对于小型4D打印机，也就是家用级的打印机而言，目前的打印精度、操作专业性以及设备价格也是关键问题。
二是缺乏合适的材料。除了设备本身的制约之外，与3D打印面临的相同问题，就是打印材料的制约。4D打印相比于3D打印，其对材料的要求更为复杂，所需要的并不是一般的材料，而是一种带有记忆的智能材料，是一种能感知外部刺激，能够判断并进行自我变形、组装的新型智能材料（图3-2）。图3-2 记忆智能材料
4D打印材料不仅需要具备3D打印材料那种可打印性，并且还要具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我变形能力、自我组装能力、自我诊断能力、自我修复能力和超强适应能力，以及快速响应的变形、组装能力。
正因为材料的限制，致使目前4D打印技术使用的材料只能感应水的刺激，换言之目前的触发介质只是水。随着材料的不断突破，未来我们将借助于光、声、热、水、气、温等任意特定的触发介质来实现对材料的自我变形触发。
三是设计软件还在路上。4D打印之所以能够通过介质触发，从而在特定的时间下进行自我变形、自我组装，除了材料本身与打印技术之外，另外一个关键要素就是软件的设计，也就是通过对打印材料的设计，将变形要素直接设计在打印材料中。一个简单但并不十分精准的理解也可以说3D是设计产品，4D是将打印机设计在模型中，因此设计软件对于4D打印至关重要，是目前需要突破的一个环节，也就是如何专业化地让用户能“傻瓜”式操作、应用是4D打印普及不可或缺的一个要素。
随着资本、人才的聚集，就如同曾经助推3D打印浪潮一样，制约着4D发展的这些问题将很快获得解决，而这也必然带动新一轮的4D打印设备制造变革以及应用软件的开发升级，更重要的是促进与带动了新型材料的研发。
4D打印的六大趋势
4D打印在3D打印的基础上增加了一个可自变化的维度，不仅给工业甚至是给人类社会的发展都将带来深刻的变化与影响。当这种曾经存在于科幻世界的技术走进我们的生活并成为现实时，必然会影响与改变当前的商业形态，并将引发新的发展趋势。
1.4D打印将变革工业
不论是工业4.0或是3D打印，所能解决的只是将产品由过去的批量化向定制化转移，而无法解决产品自组装、自变化的环节。尽管3D打印技术的出现，对于解决一些复杂结构的设计有了更为直接的帮助，包括让一些结构部件变得更轻盈、更结实，但无法实现因外力环境变化而自我驱动变化。
尽管目前3D打印技术在航空航天、建筑等行业有了应用，但难以满足不同环境的变化。比如运用4D打印技术的飞机，在面临特定环境变化时就能自我分解，以最为理想的状态给乘客提供保护，在航天方面也是如此，我们不需要带着组装好的庞大设备进入太空，而只需要带着材料与4D打印机，或是打印好的材料进入太空即可，在特定介质的触发下，太空站、太空服或其他的操作设备将会自动为我们组装而成。
对于日常工业领域而言，4D打印技术将彻底改变当前制造与商业的业态形式。
2.4D打印攻克癌症
借助于3D打印技术进行一些器官、肢体打印，并与患者有效匹配已经在医学领域被证实了可行性。对于一些相对骨质的肢体，应用3D打印技术更是不在话下。而目前对于一些软组织器官，3D打印技术也在不断尝试中，但这些与4D打印技术相比都显得不够神奇。
4D打印技术最具颠覆性的并不是对器官、肢体的打印，而是细胞的打印，打印纳米级与人体细胞类似的药物细胞，注射进入人体，并且设置触发源为癌细胞病毒。当这些4D打印细胞在人体内巡逻时，遇到癌细胞就能对其点对点地释放药物，并将其消灭。人类要想战胜癌症，或许将寄希望于4D打印技术。
对于人类所接触的一些未知病毒，同样可以借助于4D打印技术以疫苗的形式注射进人体，不会对人体造成伤害。
3.私人工厂将普及
在3D打印技术以前，私人个性化定制几乎不太可能，我们所有的消费只能基于工业批量化生产而进行。对于制造商而言，他们需要通过对不同零部件及其供应链的整合，通过大规模的工业化、标准化、自动化生产来降低成本，提升企业效益，因此很难满足个性化需求。
到了3D打印时代，满足个性化的需求将不再困难，甚至是根据用户的喜好进行私人定制也不成问题。4D打印所改变的不仅是私人定制的问题，更是让每个用户都可以自己定义工厂。也就是说，未来我们要选购一个冰箱，不再是购买一台庞大的冰箱回家，而是购买核心的关键部件之后，或者连关键部件都自己定义到4D打印机上进行打印，而后通过不同材料的打印与连接，在需要的时候这些材料将自动为我们组装成一台冰箱。
这与私人定制存在着很大的区别，我们不仅可以表达自己的想法，构建自己的生活，更进一步的是可以借助4D打印技术在家里定义属于自己的创新“工厂”。更为神奇的是，当我们冷冻的空间需求增大，而保鲜的空间闲置时，冰箱将自动为我们触发组装，并自我调整空间大小以适应我们的需求。
4.创新速度将被进一步驱动
传统工业制造所面临的一个问题就是从产品立项、开发到上市销售通常需要经历一个漫长的周期，至少在6至24个月。这中间牵涉到批量制造的稳定性，以及模具的制造与寿命等，这些问题制约了产品创新的周期。
4D打印技术的出现，不仅我们的想法将被快速打印，而且我们可以将多种可能的修正要素打印在设备中，当其成型为事物之后，我们可以根据自己的想法驱动它完成自我变形、完善、修正，这对于追求创新、个性、差异化的人群而言无疑是一件有意义的事情。
这些个人想法的快速实现将进一步缩短创新的时间，对于传统的工业化企业而言也将如此。或许不久的将来，传统工厂所出售的不再是产品，而是其多年沉淀的技术与服务，用户可以通过购买其技术经验与制造经验，根据自己的想法创新产品。
5.新的商业模式将出现
随着4D打印技术的到来、成熟与普及，未来我们或不再以整体物件的形式销售，一些关键零部件都将以配件的方式存在于商超中，用户可以根据自己的想法购买相应的关键部件，而后将其与所打印的部件进行连接就能实现我们的创意。
此时所带来的商业模式将会发生很大的改变：第一，当前以销售整体产品为主的商超未来或将以提供4D定制打印服务与技术支持服务为主，不再以实际整体产品的销售形式存在；第二，一些从事创意工作的人群，将通过为消费者提供创意设计，并为其提供4D打印服务而获得商业价值；第三，会催生出以零部件供应为主的各种小型连锁商超。
4D打印技术的出现，不仅带来新的商业模式，而且对于宜家这种以创意设计销售为主，让用户自组装的产品而言，4D打印将彻底改变其商业模式，因为4D打印出来的产品不再需要组装。
6.知识产权困扰将放大
4D打印目前和3D打印面临着同样一个争议，就是复制拥有版权的产品设计，其知识产权的困扰将增大。当用户看到一些中意的创意设计时，随手一拍，回家将照片通过软件自动生成三维模型后，将模型输入到4D打印机上进行打印，此时知识产权的原创保护似乎更为困难。
尤其是4D打印的产品还能自我组装、变化，更增加了取证的难度，知识产权保护或许是新技术时代面临的一个新课题。
4D打印的前景与挑战
与3D打印相比，4D打印只能算是个婴儿。3D打印则是个正处于而立之年的年轻人，在而立之年被追捧属于正常现象。观察国外，3D打印（又称增材制造）技术的研究和试用已近三十年，只是在最近几年借助于资本的关注以及产业技术的沉淀才开始在规模化应用上逐步取得突破，从工业应用延伸至生活应用领域。
从目前3D打印技术的发展与应用情况来看，包含军工及航天工业在内的制造业，3D打印正在逐步展现其革命性意义。也就是说，在军工、航空工业这些具有特殊技术要求的领域，由于其技术原理与要求的限制导致一些零部件本身的结构设计异常复杂（图3-3），而这些复杂程度一方面借助于传统制造技术难以加工，或者是加工制造效率极为低下，另一方面则是制造成本高昂，且周期长。图3-3 航天部件
3D打印的出现，借助于叠加的技术原理让一些复杂的结构变得相对简单，同时加工效率也有了明显提升，因此受到了军工、航天工业领域的青睐与重视。而就在这一浪潮还未结束时，以工业创新能力领先的美国进入了更为深层次的探索，也就是4D打印技术的研究，或者称之为四维打印技术，这一技术与3D打印技术存在着明显的区别，并且应用领域更为广泛，更具优势，可以称为一项革命性的制造技术。
根据美国相关报道，2014年5月12日，美国大西洋理事会完成了题为《下一次浪潮：4D打印——可设计的物质世界》的研究报告。该报告在大西洋理事会3年前完成的《3D打印能否改变世界？》研究报告的基础上，对4D打印这一新的颠覆性技术进行了探讨。这也是科学界第一次正式对4D技术的问题提出探讨与思考，并且将4D打印技术定义为下一次浪潮，由此显示出4D打印技术的重要性。
第四章 4D打印的那些玩意儿
餐桌上的视觉盛宴
之前备受关注的报道之一莫过于由硅谷创业公司Hampton creek制造的人造鸡蛋，在香港一上市就被抢购一空。这家公司受到关注，除了人造蛋本身之外，另一个因素显然与该公司的投资人有关，这家公司由李嘉诚投资。
所制造的人造蛋和普通鸡蛋口感并没有太大差异，但在成本上降低了48%，关键是不含胆固醇，既满足了营养需求，又剔除了不良因素（图4-1）。图4-1 人造蛋
如今，这家公司的主要投资人李嘉诚又为另一家名为Modern Meadow的公司投资1000万美元，他们正在研究通过3D打印制造出人造肉。这个技术不同的地方在于Modern Meadow是通过3D打印技术，在实验室中培养出人造肉，由不同类型细胞混合体构成了“生物墨水”，再利用3D打印原料成型，并在生物反应设备中进行处理生成人造肉（图4-2）。图4-2 人造牛肉
除了李嘉诚之外，硅谷传奇亿万富翁泰尔亦是其投资人，泰尔通过泰尔基金下属的Breakout Labs早期投资了16万～22万美元。
1.人造肉的市场有多大
根据Modern Meadow整理的数字，全球范围内，人们每年消费约3亿吨肉类食品，到2050年，这个数字有望突破5亿吨。而在美国，平均每人每年消费的肉总量大约为120公斤，相当于1000个汉堡。
而人造肉一方面可以进入家庭食用，另一方面可以直接根据汉堡的要求进行打印，不需要经过传统牛肉的二次加工。其他方面的食品，比如休闲食品领域也同样如此，将变得更加便利，其优势也在于保留了人体需要的元素，剔除了过高的脂肪元素。
2.打印人造肉指日可待
其实，人造肉并不是科技概念，这种可能改变肉食品生产行业的科技新事物，或许是解决世界食品危机的重要手段。Modern Meadow的CEO Andras Forgacs表示公司获得的细胞体来自小型活组织，并不会伤害或杀死动物。从目前公布的人造技术来看，大致需要经历以下步骤：（1）活体穿刺，采集皮肤、肌肉细胞作为样本；（2）胰酶处理，破坏细胞粘连，将组织分散为单个细胞，扩增培养；（3）将细胞按片层状整合到一起，在随后的生物聚合过程中将细胞黏合到一起；（4）将整合好的细胞层置于体外反应容器中，继续成熟；（5）数周后，终止细胞的营养供给，收集细胞，用于加工成品。
对Modern Meadow来说，整套技术并没有太大难度。前两步涉及的细胞体外培养技术已经成熟，甚至可以委托相关的专业公司实施。其中最为核心的第三和第四步，第三步涉及一项名叫3D Bioprinting的技术，这在目前发展的技术层面来看也已经不是问题。
因此人造牛肉进入食用领域相比于转基因食品而言，或许是解决食品不足问题的更好方式。而借助于4D打印技术的人造牛肉与基于3D打印技术所制造的人造肉，其最为关键的区别在于，4D打印技术的人造肉将会给生活带来更大的便利。比如我们将不再需要进行切片工作，在打印的模型中预先设置自分类的变形“智慧”，在需要的时候只要放入水中一洗，块状牛肉将自动分离为片状（图4-3）。图4-3 自变形牛肉
4D打印的人造肉还将根据用户的不同需求让其产生不同的变化，让餐桌不再局限于味觉的盛宴，更是一场视觉的盛宴。
当皮革邂逅4D
相比于肉制品的打印技术而言，皮革将更容易被应用。主要是从技术层面来看，皮肤的结构比肌肉更简单，生产起来更加容易。
从生物学角度来讲，肉的组织比皮毛的制造要复杂很多。皮毛更接近于2D的，但肉的制作则是较为复杂的3D技术。除了技术，对于培育出的这种皮革的监管相对也简单。人造皮革生产出来后，可以围绕它来做大量产品的设计，比如皮带、皮包、皮衣等（图4-4），借助于4D打印技术，皮革的纹路将会根据用户不同的社交需求进行自变形，也可以根据用户的不同社交场景对包的形状发生自变形，这些多以装饰为主的皮革产品其装饰性将更加丰富多彩。图4-4 打印皮包
不久的将来，对于女性而言不必再为不同的社交场合而准备过多的包，或许一个4D打印的包就能为我们变化出多种形态，满足不同的社交要求。另外，相比于人造肉的普及应用而言，皮革更将容易的主要原因在于其监管条件相对宽松。
内衣制造之4D打印
女性胸部在发育阶段会有显著的变化，即使成年之后胸部发育已成熟，也会因生理周期而变化。
目前的女性内衣与传统的服饰、鞋子类似，其尺码是固定的，并不会因为胸部的变化而变化。图4-5这款比基尼内衣非同寻常之处就在于它是由3D打印机打印而成。内衣轮廓由彼此相连的圆形贴片“编织”而成，最薄处仅为0.7毫米。由于采用了尼龙12材料，质地非常柔软而且不易破裂。据制造者称，这款内衣在浸湿之后穿戴起来非常清爽舒服，或许更适合游泳。图4-5 3D打印内衣
采用4D技术打印之后的内衣由于其能自变形、自组装，这将改变目前内衣尺寸、形状无法适应于乳房变化的状况。借助于4D打印技术所制的内衣，将根据女性月经来潮前后的乳房变化而进行自变化，并为女性提供一个舒适的穿戴内衣环境，这或许将彻底改变整个女性的内衣市场。
当时装恋上4D打印
尽管时装产业具有悠久的历史，尤其以女装产业，消费市场上几乎不缺女装，批量的、定制的，各种尺码，各种款式，唯一不能解决的问题是如何让每一件衣服都能让人穿得贴身、曲美。
尽管4D打印技术出现的时间还非常短暂，但这并不影响它的发展，这不，Nervous System科技公司近日研发出一种利用4D打印技术，制造弹性贴身布料，并打印出了全球第一件“4D裙”（图4-6）。图4-6 4D打印裙
该裙子就解决了不合身的问题，并且会根据穿戴者的体型情况进行自我改变，更神奇的是还可以自动变化造型（图4-7），这或许正是女性衣柜里缺失的那件衣服。制作该裙子的布料纤维由2279个三角形和3316个连接点相扣而成，三角形与连接点之间的拉力，可随人体形态变化，即使变胖或变瘦，4D裙也不会不合身。图4-7 4D打印的自变化裙子
这条裙子在打印机内部所需要的空间比打印普通3D模型要大很多，但是技术人员仍然很完整地打印出了整条裙子。同时，研发人员还用4D打印技术打印出了一系列与这条裙子搭配的珠宝首饰，而这些首饰毫无疑问的也是可以根据人体结构而自动变形的（图4-8）。图4-8 4D打印首饰
Nervous System所采用的4D打印材料的原理在麻省理工学院的研究基础上又有了新的突破，采用的是“选择性激光烧结技术”，是利用激光束烧结尼龙粉末材料制造原型，激光束不会烧结三角形与连接点之间的粉末，未被烧结的粉末于打印后掉出来，形成环环相扣的纤维，每条裙需48小时制作，造价则达1900英镑（约合人民币18393元），而这价格丝毫不影响女性的青睐。
这条通过4D打印技术打印的裙子，意味着3D打印物体的形状能够自动转变成另一个形状，能够使设计者不需要手工劳动就能转换成它最终的设计形式。为此，Nervous System还专门研发了应用程序，让用户先对自己的身体进行3D扫描，再选择布料尺码和形状，即时亲手打造独一无二的4D裙。
虽然我们很早就可以通过3D打印技术打印各部分零件，然后手动地把这些部件组装在一起，创造一件大件的物体。然而，4D打印与众不同的是，打印好的物体能够自动组装或是转变成预设的形状。与麻省理工学院的理解不同的是，他们把这一处理过程称为“运动学”，与力学的其中一个分支相同的名字——也被称为运动的几何，它描述的是物体的运动而不是运动的原因。
Rosenkrantz说：“我们认为‘运动学’最大的好处是它可以把任何的三维物体转换为一个灵活的结构然后用来3D打印，公司通过计算机折叠程序可以把结构进一步压缩。”
为了制造出这些裙子，一个3D人体形态扫描仪必不可少，它是数字化服饰模型的基础。通过选择三角形的铰链网状结构，最终成品的硬度和状态可以在这一阶段进行控制，而这些材料下垂的模式会通过屏幕模拟出来。通过计算机模拟软件，这一个数字化模型可以被折叠成一个更小的形状，然后打印出来的是压缩的形态。当人们把裙子从打印机上拿下来后，它就会自动恢复预设的形状。
Rosenkrantz说道：“压缩设计不仅使得产品设计变得更容易，也能使运输更方便。它大大地保证了灵活性衣服的创意得以实现，也可以使今天的小规模打印机进行大件结构物体的生产。”Nervous System应摩托罗拉公司的要求，开始研发这一“运动学”概念来定制4D打印的个性化产品。
Kinematics能生成由10到1000个不同的零件组合成的设计，它们能连接构建成动态或机械的结构。比如打印一条裙子时，先是3D扫描顾客，接着作出裙子的草图，然后在裙子上镶嵌上花纹。下面就是生成Kinematics结构，模拟裙子的悬垂特色。最后将裙子压缩，通过计算折叠，裙子比3D打印机还要大。还可以一次打印完一件，而不是分成不同的部分先打印再组合成一件产品。
这些产品的价格根据不同的定制选择会不一样，只要顾客喜欢并定制好了某一个设计，就可以下订单，然后Nervous System就会把它生产出来。第二个免费程序可以让用户在Nervous System的模板上试验，再把成品在家里打印出来。Rosenkrantz和Louis-Rosenberg把这套理论进一步发展了，加入了把设计折叠成它能够达到的最小的空间结构。
4D打印的优点，一方面是能将形状挤压成它们最小的布局并3D打印出来，这样将打印出来的产品将没有冗余的东西；另外一方面是其打印的物体可以根据不同的需求进行自我变化，这些是3D打印无法比拟的。
4D打印在时装领域的应用将改变当前服装的格局，比如未来的时装店将不再展示时装，也不再需要库存，而是一台人体3D扫描仪加一台专业的设计模板的计算机加一面虚拟现实的镜子，用户可以根据自己的风格与偏好从计算机中选择相应的模板，这一模板可以是任意的风格，也可以是自己的照片，系统将自动设计并生成相应款式的时装。
借助于人体3D扫描仪，扫描人体尺寸，并由系统自动生成精准的模型，之后与所设计的时装进行合并，消费者就能看到一种接近于真实的展示。借助于虚拟现实的镜子，消费者可以对其进行任意角度的旋转展示，并根据自己的意见对其进行调整与修改，最终生成消费者心目中的那件衣服。之后可以借助于云服务传输到打印地点进行时装打印，也可以在配置了4D打印机的门店直接进行时装打印。4D打印将带领时装进入真正的私人定制时代。
踩上4D打印的高跟鞋
3D打印技术进入时装领域已不是新鲜事物，在阿姆斯特丹世界时装中心的一个未来时装展上，曾展出过3D打印的女士高跟鞋系列（图4-9）。这是一位荷兰阿尔特兹艺术大学毕业生Pauline van dongen交出的时装专业硕士学位毕业设计作品。图4-9 3D打印鞋子
通过所展示的产品图片可以了解到，这种3D打印的鞋子有一个共同点，就是整体无缝隙。设计外形看上去呈网状，打破了人们传统观念中对于鞋子的印象，给人带来了一种似乎不牢固的感觉。而事实并非如此，实际上它由尼龙材质打印而成，不仅轻便而且具有很高的强度与韧性，它的皮质鞋垫还获得专利，整个鞋子外层还涂有一层合成橡胶，可以增加摩擦力，更提升了鞋子的耐磨度，以及穿着的舒适度。
国内相关产业的人员显然也不甘寂寞，不仅打印别墅，对于鞋子这种时髦的产业当然不能放过。天津的创业人员就借助于3D打印技术，打印出了时髦的鞋子（图4-10）。图4-10 国内3D打印鞋子
不论是3D打印的鞋子，还是传统的鞋子，都无法解决一个问题，那就是鞋子的自变量。也就是说我们所购买的鞋子，它的形状、尺码大小是固定的，不会随着我们所穿袜子的厚薄而改变，也不会因
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