我们制造物品的方式中最重大的突破不在于操纵材料的技术，而在于材料本身。这就是“4-D 打印”背后的理念，这是一种实验性的制造方法，它扩展了备受炒作的 3-D 打印工艺。4-D 打印不是用塑料或金属层构建静态的三维物品，而是采用动态材料，这些材料会持续演变以响应其环境。
制造者运动中的这一新变化来自麻省理工学院的自组装实验室，主任 斯凯拉·蒂比茨 和他的团队正在试验所谓的“可编程材料”。研究人员使用 3-D 打印机打印这些物质，然后观察第四维度——时间——接管，材料改变形状或自动重新组装成新的模式。
软件、计算机和组装工艺的改进使得在将设计转化为实际物品时，能够实现更复杂的设计和更高的自动化程度。然而，蒂比茨设想了一种情景，即材料本身包含自组装所需的信息，从而为制造商节省时间和金钱。
大众科学 与蒂比茨谈论了他将 3-D 打印带入新维度的努力。
[以下是采访的编辑稿。]
您的背景是建筑、设计计算和计算机科学。您是如何对自组装材料产生兴趣的？
我一直在制作这些实验性结构和装置，并在世界各地的画廊展出，这让我更多地思考所涉及的材料。我并不一定想发明新材料，而是想以聪明的方式组合现有材料。
我的一部分工作是编写代码来数字化设计事物。如果我们能编写代码来操作机器，为什么我们不能使用代码来让事物自行组装呢？
已经存在哪些“智能”材料的例子？
我最喜欢的例子是一个旧式恒温器，一个非数字的。如果你拉开那个恒温器的盖子，会看到一个带有双金属片的线圈。你有两种金属夹在一起，具有不同的膨胀率。当发生细微的温度变化时，它会向左或向右转动线圈。这会转动一个刻度盘，以增加或减少热量。没有电机或传统的传感器。它只是一种材料，通过膨胀和收缩来转动刻度盘。
另一种存在已久的智能材料是 镍钛诺 [镍-钛合金]，一种 形状记忆合金，用于支架和其他生物医学技术。你有一根具有记忆力的金属丝，加热时会呈现某种形状。当你向 [镍钛诺] 通电流时，它会改变形状，这使你可以将用该材料制成的医疗设备放入体内狭小的空间中。除了金属，还有形状记忆聚合物——也称为 “智能塑料”——用于各种小规模应用。
您是在试验这些材料，还是在创造您自己的可编程材料？
我们使用其中的一些材料，但我们尽量不依赖它们，因为它们很昂贵，并且已经具有明确的特性。我们宁愿使用日常材料，如塑料、金属和木材，并以聪明的方式将它们组合起来。我们对 4-D 打印的愿景 是以不同的厚度和方向组合和打印这些材料。较厚的材料在打印后改变特性的速度较慢，但证明更坚固，而较薄的材料变化迅速，但较弱。当组合在一起时，这些不同的材料特性会对它们的环境（无论是放置在光、水还是其他介质中）产生不同的反应，这种反应可以模仿由致动器、电机和传感器驱动的机器组装设备的运动。
当您谈到包含组装过程信息的可编程材料时，您指的是哪种类型的信息？
此信息以材料的特性、其形状（或几何形状）以及用于启动自组装的能量的形式存在。例如，我们的一种材料具有在浸入水中时使其膨胀并改变形状的特性。为了保持对材料如何变化的控制，我们将其设计为具有特定的几何形状，该形状决定了它将卷曲的方向、卷曲的次数以及卷曲的角度。现在我们需要使该材料更直观易用且更易于控制。
您如何编程这些材料以可预测的方式表现？
您围绕它们自组装所需的能量来设计它们。您通过测试大量材料并量化结果来了解它们将响应的能量阈值以及它们的反应方式。我们打印了一条 50 英尺长的材料，并将其放入游泳池中，原因有两个：研究它在浸没时会如何变化，以及确定我们是否可以使用真正的大型结构。该线束的一部分由黑色、刚性塑料制成，该塑料决定了其几何形状——变化时的角度和方向。该线束还由第二条白色塑料制成，当放入水中时，该白色塑料会膨胀 150%。这种反应是 导致线束折叠 的原因。
3-D 打印面临的最大挑战是什么？4-D 打印如何解决这些挑战？
3-D 打印的两个问题是大多数打印机中可用的床尺寸较小，以及构建需要嵌入式电子设备的东西的难度。我们通过在五英寸立方体的空间内打印 50 英尺长的线束来解决第一个问题。我们通过使用设计为表现得好像它们具有传感器和致动器的多功能材料来解决第二个问题，这样您就不必将这些电子设备添加到打印设备中。
您需要特殊设备来进行 4-D 打印吗？还是可以使用标准的 3-D 打印机？
使用 多材料打印机（例如我们使用的 Stratasys Connex）进行 4-D 打印要容易得多。该系统像喷墨打印机一样喷出 [光敏聚合物] 材料的液滴，并用紫外线固化它们。Stratasys 打印机同时沉积两种不同的材料。或许可以使用一台使用一种材料的机器打印 4-D 物体，但那样您将更多地依赖于设计到该材料中的几何形状。
除了 50 英尺的自折叠线束外，您还创造了哪些其他 4-D 物体——以及下一步是什么？
还有一个平面，浸入水中时会自折叠成一个立方体。[根据水温，折叠大约需要 20 分钟。] 我有兴趣在一些现实世界的产品中实施这些特性，因为我们想表明这不仅仅是一些魔术。[请看下面的视频。]
我不能说我们正在与谁合作，但这项技术的一个关键领域是运动服装、运动器材、服装领域。那里存在兴趣，因为所有主要的运动服装公司都在增材制造方面投入巨资，他们希望使用更高性能的材料。
我们没有研究这个，但汽车、航空航天和海洋工业的许多方面都依赖于形状作为性能的关键参数。一切都与最小化阻力并提高效率有关。随着环境的变化，形状需要改变。在汽车领域，可能是轮胎。不同类型的驾驶和路况有不同的轮胎，无论是赛车驾驶还是越野驾驶。它们之间的区别与轮胎胎面的形状、抓地力和深度有关。
开发智能运动服装和轮胎以及其他可能从 4-D 打印中衍生出来的东西的最大挑战是什么？
有很多工作要做。一个领域是设计工具，我们正在与 Autodesk [3-D 设计软件制造商] 合作开发。我们还需要更好的材料特性。我们试验过的材料现在可以工作，但如果用于产品，它们能持续多久？它们能否在一段时间内按需发挥作用？我们拥有的可编程材料可能尚未为市场做好准备。另一个挑战是简化 4-D 流程。我们需要对材料的性能提前有一些定量的概念。
这些问题背后的事实是，我们是一个研究实验室。我们的工作是推动知识和发现新事物。我们不开发新产品；我们依靠行业来实现这一点。新的 4-D 打印应用的开发取决于与有兴趣追求这项技术的企业之间的密切合作。
https://vimeo.com/64926672
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4D 打印：自折叠表面立方体 来自 斯凯拉·蒂比茨 在 Vimeo 上。