增材制造（3D打印）技術以數字模型設計為基礎，通過軟件與數控系統將材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，實現復雜及可定制化結構的構建。由于3D打印結構是靜止的，缺乏功能性及自適應能力，因此在智能結構及器件應用上存在諸多限制。自2013年4D打印概念被首次提出后，4D打印技術受到了國內外學者的廣泛關注。4D打印技術是在3D打印技術基礎上引入了時間作為第四個維度，實現了3D打印結構在外界刺激（如熱、電、磁、光，濕度等）下，其形狀、性能和功能隨著時間發生特定的轉變。4D打印技術的成型方法包括立體光刻成型技術（SLA）、數字光處理技術（DLP）、熔融沉積技術（FDM）、聚合物噴射技術（Polyjet）及直寫打印技術（DIW）等。與其他幾種打印技術方法相比，直寫打印技術具有可打印材料種類廣泛，打印裝置開放等優勢。基于直寫打印技術的4D打印材料及結構，展示出了在智能驅動、電子、生物、機器人等領域的應用價值。
近日，哈爾濱工業大學冷勁松教授團隊在材料領域權威期刊《Advanced Science》上發表了題為“Direct Ink Writing Based 4D Printing of Materials and Their Applications”的綜述文章。回顧了直寫4D打印技術的發展歷史，從材料的角度重點介紹了直寫4D打印技術的研究進展。直寫4D打印主要有兩種技術路線：一是直接打印可變形材料，包括形狀記憶聚合物、水凝膠及液晶彈性體等材料。二是在直寫打印過程中預置應力分布、材料分布，實現打印結構在特定激勵下釋放應力，完成主動變形行為。文章概述了基于不同類型材料、不同打印策略、不同驅動方法的直寫4D打印材料及可變形結構，并詳細討論了直寫4D打印結構的多功能性，及其在電子、生物醫學與軟體機器人等領域上的潛在應用。
圖：直寫4D打印技術用于不同種類材料的打印，實現直寫4D打印結構在不同外界刺激下的形狀與功能的轉變，應用于電子、生物醫學與軟體機器人等領域
綜述對直寫4D打印技術進行展望，未來將在可變形材料的研發，4D打印結構多功能性的拓展，以及直寫打印裝置的改進等方面進行深入探索。此外，在多材料打印過程中通過在特定位置，設計不同的材料密度，預置不同的內應力，將簡化多功能材料直寫4D打印的制備過程，豐富4D打印結構的變形模式。建立精確預測打印結構變化的數學模型，將對直寫4D打印結構實現更為復雜的形狀變化提供理論指導。隨著直寫4D打印技術的不斷進步，智能材料的結構/功能豐富，結合設計/模擬方法，將滿足包括軟體機器人、智能器件、生物醫用、電子等諸多領域的應用需求。該綜述近期發表在《Advanced Science》上，博士生萬雪是文章的第一作者，冷勁松教授是通訊作者。相關工作得到國家自然科學基金的大力支持。
全文鏈接：http://dx.doi.org/10.1002/advs.202001000
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