關于作者
一個畢業(yè)于北京大學數學力學系，在中國科學院計算所、計算中心和網絡中心工作過，在澳大利亞科工組織DMS、香港浸會學院數學系和中國21世紀議程管理中心等處工作過，多次獲國家和中科院科技獎并享受政府特殊津貼的退休老頭。現在在【中國科普博覽】網“科學新語林”欄目里開設一個《數學與計算機》的個人專欄，愿和愛好數學與計算機的各界網友和青少年朋友，談談對數學與計算機的看法、想法。
3D和4D打印（5）
張建中
2013年11月05日
9．什么是4D打印技術？
4D打印技術，比3D打印技術多了一個“D”的時間緯度，人們可以通過軟件設定模型和時間，變形材料會在設定的時間內變形為所需的形狀。4D打印本質上其實就是利用復合材料進行的3D打印，通過這種方式你增加了一項功能，那就是變形。
所謂的4D打印技術，準確地說是一種能夠自動變形的材料，只需將該材料放入水中，不需要連接任何復雜的機電設備，就能按照產品設計自動折疊成相應的形狀。4D打印技術，這個非常棒的概念創(chuàng)造出一種能夠在被打印出來之后發(fā)生改變的物體，而且它們能夠進行自我調整。打印不再是創(chuàng)造過程的終結，而僅僅是一條路徑。4D打印技術由MIT（美國麻省理工）與Stratasys教育研發(fā)部門合作研發(fā)的，是一種無需打印機器就能讓材料快速成型的革命性新技術。
下圖為在一次4D打印展示會上，3D打印出來的直線形管子放在水中(上)，自動組裝成為一個立方體(下)，中圖顯示的是由直線形管子變化成立方體的過程。
形象的講，4D打印技術 = 3D打印技術 + 時間，即由3D打印技術打印出來的復合材料，隨著時間的推移，慢慢發(fā)生自我調整，實現自我變形。這種變形是在打印之前就設定好的，關鍵在于使用了一種智能材料，這種材料在水、熱等環(huán)境下會發(fā)生變形。由這種材料制成的管子可以根據水流量大小來調整自身的大小，此外，這一技術還可以應用到家具、自行車甚至是建筑領域。有科學家認為，這一技術的發(fā)明預示著家具自我組裝時代的來臨。
4D打印技術牽涉到對特殊材料的應用，這些材料在感知到運動狀態(tài)，或是暴露于水、空氣、重力場、磁場或感知到溫度改變時會改變自身的形狀。
4D打印技術的出現，有可能在未來徹底顛覆傳統(tǒng)的制造工業(yè)，讓制造行為在一些嚴苛的環(huán)境條件，如外太空，變得更加容易。
10．4D打印和3D打印的不同及其發(fā)展前景
4D打印技術讓快速建模有了根本性的轉變。與3D打印技術的預先建模、掃描，然后使用物料成形不同，4D打印技術直接將設計內置到物料當中，簡化了從“設計理念”到“實物”的造物過程。讓物體如機器般“自動”創(chuàng)造，不需要連接任何復雜的機電設備。傳統(tǒng)而言，造物過程一般是，先模擬后制造，或者一邊建物一邊調整模擬效果。而通過硬件和軟件的緊密結合，4D打印技術顛覆了傳統(tǒng)的造物方式。與之前3D打印概念相比，4D打印具備更大的發(fā)展前景。
人們相信，4D打印技術不但能夠創(chuàng)造出更有智慧、更有適應能力的新事物，還可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至建筑行業(yè)，與此前的3D打印技術相比，它將具有更大的發(fā)展前景。4D打印技術更為智能，物料可自行“創(chuàng)造”，簡化了打印過程，但對打印材料有了更高要求。
和較為成熟、已經得到應用的3D打印技術相比，4D打印技術目前還遠不成熟，但研發(fā)人員堅信這項技術終將帶來對生物科學，材料科學，軟件，機器人，制造業(yè)，運輸，基礎設施建設，施工，藝術甚至太空探索領域的革命性變化?，F階段，4D打印還僅僅是概念，沒有相關企業(yè)投產。3D打印曾在股市掀起多次投資風暴，而新提出的4D打印概念則距生產、生活更加遙遠，還停留在概念炒作階段，其發(fā)展前景特別值得我們關注。
4D打印技術，比3D打印技術多了一個“D”的時間緯度，人們可以通過軟件設定模型和時間，變形材料會在設定的時間內變形為所需的形狀。4D打印本質上其實就是利用復合材料進行的3D打印，通過這種方式你增加了一項功能，那就是變形。
所謂的4D打印技術，準確地說是一種能夠自動變形的材料，只需將該材料放入水中，不需要連接任何復雜的機電設備，就能按照產品設計自動折疊成相應的形狀。4D打印技術，這個非常棒的概念創(chuàng)造出一種能夠在被打印出來之后發(fā)生改變的物體，而且它們能夠進行自我調整。打印不再是創(chuàng)造過程的終結，而僅僅是一條路徑。4D打印技術由MIT（美國麻省理工）與Stratasys教育研發(fā)部門合作研發(fā)的，是一種無需打印機器就能讓材料快速成型的革命性新技術。
下圖為在一次4D打印展示會上，3D打印出來的直線形管子放在水中(上)，自動組裝成為一個立方體(下)，中圖顯示的是由直線形管子變化成立方體的過程。
形象的講，4D打印技術 = 3D打印技術 + 時間，即由3D打印技術打印出來的復合材料，隨著時間的推移，慢慢發(fā)生自我調整，實現自我變形。這種變形是在打印之前就設定好的，關鍵在于使用了一種智能材料，這種材料在水、熱等環(huán)境下會發(fā)生變形。由這種材料制成的管子可以根據水流量大小來調整自身的大小，此外，這一技術還可以應用到家具、自行車甚至是建筑領域。有科學家認為，這一技術的發(fā)明預示著家具自我組裝時代的來臨。
4D打印技術牽涉到對特殊材料的應用，這些材料在感知到運動狀態(tài)，或是暴露于水、空氣、重力場、磁場或感知到溫度改變時會改變自身的形狀。
4D打印技術的出現，有可能在未來徹底顛覆傳統(tǒng)的制造工業(yè)，讓制造行為在一些嚴苛的環(huán)境條件，如外太空，變得更加容易。
10．4D打印和3D打印的不同及其發(fā)展前景
4D打印技術讓快速建模有了根本性的轉變。與3D打印技術的預先建模、掃描，然后使用物料成形不同，4D打印技術直接將設計內置到物料當中，簡化了從“設計理念”到“實物”的造物過程。讓物體如機器般“自動”創(chuàng)造，不需要連接任何復雜的機電設備。傳統(tǒng)而言，造物過程一般是，先模擬后制造，或者一邊建物一邊調整模擬效果。而通過硬件和軟件的緊密結合，4D打印技術顛覆了傳統(tǒng)的造物方式。與之前3D打印概念相比，4D打印具備更大的發(fā)展前景。
人們相信，4D打印技術不但能夠創(chuàng)造出更有智慧、更有適應能力的新事物，還可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至建筑行業(yè)，與此前的3D打印技術相比，它將具有更大的發(fā)展前景。4D打印技術更為智能，物料可自行“創(chuàng)造”，簡化了打印過程，但對打印材料有了更高要求。
和較為成熟、已經得到應用的3D打印技術相比，4D打印技術目前還遠不成熟，但研發(fā)人員堅信這項技術終將帶來對生物科學，材料科學，軟件，機器人，制造業(yè)，運輸，基礎設施建設，施工，藝術甚至太空探索領域的革命性變化?，F階段，4D打印還僅僅是概念，沒有相關企業(yè)投產。3D打印曾在股市掀起多次投資風暴，而新提出的4D打印概念則距生產、生活更加遙遠，還停留在概念炒作階段，其發(fā)展前景特別值得我們關注。