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取材自sculpteo.com的文章”4D Printing: A technology coming from the future”，作者是Marianna Papageorgiou

3D列印技術問世已經將近30年了，雖然疊加製造業仍在不停地開發新應用、新材料及新印表機，另一項稱為4D列印的技術卻正在崛起，它彷彿來自未來一般的神奇。本文將介紹4D列印、它的潛力及未來的應用。

4D列印是什麼？

4D列印就是3D列印物件因為外部能量（例如溫度、光或其他的環境刺激物）的影響而轉換成另一種結構的過程。

這項技術來自MIT自組裝實驗室(MIT Self-assembly lab)的計畫，該計劃之目的是結合科技與設計，發明自組裝及可程控材料的技術，希望重新塑造裝配、製造、產品組裝及性能。

以下的影片是一個平面列印的結構，當放在熱水裏的時候會自動摺疊成另一結構，這個影片是MIT自組裝實驗室展示形狀轉換功能性的試驗。

https://vimeo.com/64926672

3D列印與4D列印的差異

4D列印比3D列印多了一個”D”，這是什麼意思呢？為什麼4D列印給科技帶來那麼大的附加價值？3D列印大致就是重複列印2D的圖像，循列印途徑一層一層由底部一直壘疊到頂部，直到印出3D物件。4D列印則是隨時間轉換的3D列印，也就是增加了第四個維次-時間，因此4D列印比3D列印最大的突破就是它具有隨時間改變形狀的能力。

4D列印的抓具，當溫度最適化的時候可以抓住物件

4D列印物件的列印方式基本上和3D列印物件一樣，差別在於4D列印技術使用可程控且先進的材料，它可以藉由熱水、光或熱的施加而展現不同的功能，這也是為什麼它雖然是無生命的物件，但也可以隨時間改變其3D形狀及行為。4D列印技術使用商用3D印表機，例如Polyjet 3D印表機，列印材料是所謂的”智慧材料”，例如水凝膠或形狀記憶聚合物，智慧材料因為具有熱機械性質及其他材料性質，所以可以改變形狀，這和一般的3D列印材料不一樣。

另外，3D列印得到的是剛性物件，也就是物件印出之後就會保持其3D形狀。

Jean-Claude André (Scientific Advisor at INSIS)提供的示意圖

4D列印的優勢

4D列印最顯而易見的優勢就是可以經由計算摺疊將比印表機大的物件一次整個印出，因為4D列印物件可以改變形狀，可以收縮及展開，所以比印表機大的物件可以壓縮並以第二型態進行3D列印。

兩次摺疊可使體積降低87%，照片由n-e-r-v-o-u-s.com提供

4D列印技術另一個優勢是使用獨特的應用材料，這對現今我們知道的材料具有革命性的影響。4D列印使用多種智慧材料，有些甚至是我們所無法想像的，例如多材料形狀記憶聚合物可以”記憶”形狀，因應環境的刺激可以隨時間主動轉換構形。

4D列印的潛在應用

4D列印在真實世界一項潛在的應用是管道系統的水管，它可以因應流率及用水需求而動態改變管徑，另外，當水管破裂或斷裂的時候，它也可以自動修復，因為它具有隨環境的改變而改變的能力。

除此之外，想像一下自組裝傢俱。3D列印傢俱會受限於印表機尺寸，但4D列印可以只列印一張平板，在加水或照光之後就捲曲成一張椅子。

4D列印甚至可以用在更大型的計畫，例如在極端環境（例如太空）中，它的應用前景就極為看好。目前太空中的3D列印遭遇了一些和成本、效率及能源消耗有關的問題，如果不用3D列印材料而改用4D列印材料，就可以充分利用它的可轉換形狀的優勢，例如它可以解決建造橋樑、庇護所或其他設施的問題，因為它可以自我積聚，並且被天候損壞時也可以自我修復。

4D列印也可以應用在極小的物件，例如醫療領域的自行重組蛋白質即是一種具有自我摺疊能力的蛋白質。發明4D列印這個名詞也是此領域的先驅者Skylar Tibbits表示它就像機器人但沒有微處理器或馬達。

以上這些潛在應用的未來發展似乎相當令人振奮且前景看好，目前針對3D列印材料性質所進行的研究可以提供疊加製造許多經驗值，當然對疊加製造的成長也貢獻匪淺。

即使4D列印現在只處於嬰兒期，我們等不及想要知道它將如何影響疊加製造的未來，就像3D列印顛覆了傳統製造一般。