佐治亚理工学院H. Jerry Qi教授《先进功能材料》综述：4D打印技术研究进展

自2013年4D打印概念被首次提出以来， 4D打印技术吸引了广泛的关注。4D 打印技术最初被定义为“3D 打印技术 + 时间”，即第四个维度为时间。 目前，4D 打印技术， 广义地定义为智能材料或结构在打印完成后，在外界刺激（如温度，湿度与光照等）下，其形状、性质和功能随着时间发生特定的演变。相比于传统3D打印技术，4D打印增加了一个时间的维度，而具有以下的优势：1）具有刺激响应性能的打印构件可用于智能器件；2）打印薄壁与点阵结构可以大幅节省打印材料与时间；3）形状改变特性可用于减少存储空间与方便运输。

4D打印技术利用不同的3D打印方法，实现打印的智能材料与结构在外界刺激下的形状与功能的演变，用于智能器件、生物医用与超材料等。

近日，美国佐治亚理工学院机械工程系的H. Jerry Qi 教授在《先进功能材料》杂志上发表特邀综述，回顾了4D打印技术的发展历史，从材料的角度重点介绍了4D打印技术中最广泛研究的3D打印形状可变高分子材料研究进展。4D打印技术发展源于智能/功能材料，3D打印技术和模拟/设计等交叉学科的快速发展。文章概述了已报道的，基于不同刺激响应特性、打印方法与变形机理的单一材料与多材料打印技术， 用于形状可变结构的3D打印。4D打印结构中至少有两个稳定状态， 打印形状在外界刺激下响应而转变到另外一个状态。3D打印材料形状转变的基本机理，是直接利用打印智能材料刺激响应性，或者利用打印过程或打印结束以后在智能材料/结构中引入的本征应变（或应变失衡）在外界刺激下的响应。 其中，单一材料4D打印技术，主要包括3D打印单一的形状记忆材料与液晶弹性体，而后者具有刺激响应的可逆形状转换能力。复合材料/多材料4D打印技术，包括3D打印水凝胶复合材料/多材料、纤维增强活性复合材料、双层结构复合材料、形状记忆多材料以及梯度溶胀/脱溶剂的多材料等。文章也简单介绍了4D打印多功能材料的进展，包括4D生物打印与3D打印自修复材料等。

4D打印技术的发展，包括智能/功能材料，3D打印技术和模拟/设计等多学科的发展。

综述对4D打印技术的发展趋势作了展望。首先，高分辨率，快速与多材料的3D打印方法发展利于多尺度复杂结构的制备。4D打印技术中应用最主要的3D打印方法是喷墨打印、挤出打印，而近年来快速发展的数字光处理打印技术在将来的4D打印技术具有巨大的潜力。 其次，新型的多功能打印墨水的开发，进一步拓展多功能4D打印。形状记忆材料与水凝胶复合材料是目前使用最广泛的4D打印材料，刺激响应性、多功能的智能材料的开发与应用于3D打印， 满足提高材料性能与响应速度，以及拓展变形驱动机理。最后，理论模型与设计方法的研究可用于精确预测与优化变形形状。 例如，拓扑优化方法可以用于优化打印形状与目标变形形状的设计； 而仿生设计不但可以启发高性能材料与功能材料的制备，还可以用于指导特定形状可变结构的设计。 随着将来3D打印方法，智能/功能材料与设计/模拟方法的发展，4D打印技术的进一步发展与成熟，将满足包括软体机器人、智能器件、生物医用、组织工程、电子与国防安全等诸多领域的应用需求。该综述近期发表在《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater.） 上，博士后匡晓博士是文章的第一作者，H. Jerry Qi教授为通讯作者。

参考文献：

X. Kuang, D. J. Roach, J. Wu, C. M. Hamel, Z. Ding, T. Wang, M. L. Dunn, H. Jerry Qi. Advances in 4D Printing: Materials and Applications. 2018, 

doi.org /10.1002/ adfm.201805290 

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201805290

来源：高分子科学前沿