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3D打印，这个已经发展超过20年的技术，最近两年突然成为热得发烫的名词。它已经从极客（技术狂人）在实验室里的玩具，进入正儿八经的制造业。而它的身后，4D打印也要来了。
3D的意思我们都懂，就是三维立体。3D打印直观上的解释就是打印出一件立体的东西。4D呢？三维再加一维。这一维可以是很多东西，通常指的是时间。问题是，时间看不见、摸不着，如果一切都没什么变化，你甚至无法感知时间。所以当我们谈时间时，谈的其实是变化。关于时间的恰当解释是：宏观上物质状态不断变化的过程。
那么，4D打印的意思就是先用复合材料进行3D打印，对于打印出来的物品，我们赋予它一种新的能力——这就是变化。这是4D打印概念的提出者、美国麻省理工学院的研究科学家斯凯拉·蒂比茨（Skylar Tibbits）给出的解释。
3D打印+自组装=4D打印
在今年早些时候的一次美国TED （技术·娱乐·设计）演讲中，蒂比茨首次提出4D打印概念。他说的变化能力，叫做自组装（Self-Assemble），也就是物体不经过人为控制，自动变成预先设计好的形态。不过，光有概念是无法打动人心的，到底他说的自组装是什么意思？3D打印出来的物品究竟会怎样自组装呢？
在演讲中，蒂比茨演示了两个已有的4D打印成果，帮助观众理解自组装是怎么回事。第一个是脊髓灰质炎病毒的模型。该模型放在瓶子里，蒂比茨晃动瓶子，剧烈的震动让“病毒”散架了。但当他停止晃动时，神奇的事情发生了，本来已经散架的模型又慢慢回到原来的样子。
可能有人要问：不是说好无人干扰吗？晃动瓶子可不算啊。好吧，说的也在理儿，但恢复成蛋白质结构时确实没有人为干扰。蒂比茨接下来给出的一个例子或许更有说服力——这是一条看起来像链子的东西。把链子放进水里后，它变成了连在一起的“MIT”字母形状，也就是麻省理工学院（蒂比茨所任职大学）的英文缩写。另一个演示是把链子浸在水缸里，它自动折叠成了一个三维立方体。这些过程没有任何人为干扰，这条链子自发变成了一个人为设计的形态。显然，它肯定经过事先的“编程”处理。
对于这种“编程”，蒂比茨没有在演讲中透露更多细节，但从他的例子中我们可以得出一些基本结论：为了完成自组装，我们首先需要特殊的材料。这种材料很可能是纳米级别，它对某种外界影响非常敏感，比如重力、压力、热量、磁性或者水之类的具体物质，再通过模拟程序，演算出现实环境中材料的变化情况，以此调整材料的组成和结构。于是当它遇到敏感源时，就能与之互动，最终变成事先设计好的形态。
目前，4D打印还是一个概念，并且这个概念并不新。实际上它的核心技术——“自组装”，在自然界里随处可见。DNA（脱氧核糖核酸）复制、RNA（核糖核酸）转录、合成蛋白质，这些生命的延续过程，实际上都是自组装，而且非常精密，和计算机有得一拼，远不是目前纳米材料的特性所能比的。
先让水管智能起来
在TED发布4D打印的演讲视频后，很多人在讨论自组装的技术原理是什么，但更多的人可能会说：“一根自动变成MIT字母的链子？嗯，这听起来很酷。但，它能帮我干什么呢？”只需要想象一下，你从“宜家”买回一把椅子（我们都知道那其实是一堆零件），当你拆开包裹后，它就开始自己组装，然后慢慢变成一把真正能让你坐上去的椅子。而整个过程，你只需要当一名合格的观众，站在一旁观赏即可。
当然现实还没发展到这一步。目前蒂比茨的计划是与波士顿的Geosyntec公司合作，开发一种新型水管。这种水管可以根据水流变化自发膨胀或者收缩，改变流量，甚至可以通过蠕动来推动水流。这意味着，它可能不需要管道疏通，也无需水泵或者阀门，这是一个完全可程序化和自我调节的水管。想想现实中那些脆弱的管子吧，如果能让它们不那么容易出状况，就足够让人兴奋了。
3D打印目前相比传统制造技术，并无特别巨大的优势。但在极端环境下，我们现有的制造技术则劣势明显。它所需的设备可能过于庞大、危险、昂贵或太过复杂，而升级到4D打印技术就会有明显的好处。太空就是一个很好的例子，传统制造技术在太空中极难发挥应有的功效，但那里却是自组装技术的好舞台。无重力是一个很好的激活环境。蒂比茨声称自己正在针对太空环境设计可以自组装成型的结构，进而转化成各种功能强大的系统。
如果我们想得更远，会发现自组装技术会让物流成本直线下降。“宜家”每次都寄一堆零件让我们自己组装，原因就是这样节省运输成本，并且在运输过程中货物不易损坏。但如果货物都实现了自组装，它们就可以非常规则地装箱，甚至就是一块平板。这时体积就不再是限制，集装箱可以成倍输送货物。结果就是快递费大减，这可能远比制造业革命更让普通消费者关心。再远一点，钢铁侠的变形盔甲？终结者里的液态机器人？好吧，有点想太多了。
重塑这个世界
在科学界，模仿生物自组装的研究很常见。
至少在6年前，同样是来自麻省理工学院、同样站在TED演讲舞台上的科研人员尼尔·格申费尔德（Neil Gershenfeld），就介绍过类似于自组装的研究，其间他也用特制材料自动组成了字母MIT。这位麻省理工学院“比特和原子中心”的头儿，来头远比蒂比茨大。他和同事成立了一个微观装配实验室，对特质材料的零件实施编码和模版构建，使其完成自我复制，而生成物的尺寸，可以小到纳米大到房子。后来格申费尔德还开了一门课叫“怎样制作任何东西”……
这样看起来，4D打印似乎一点儿不特别，那它的要点在哪儿？
这个点在3+1。所谓的自组装，也就是4D里的第四维，是建立在前三维的基础上。也就是说，已经有了成型的3D制品，才在它身上加上变化的能力。蒂比茨没有做概念上的创新，但他做了一个组合。这个组合最核心的价值在于改变制造业——“重塑这个世界”，这是蒂比茨喊出的最响亮口号。
如何重塑世界？改变制造业？怎样改变制造业？降低制造的复杂度。4D打印也许能做到。当今制造业残酷的现实是，组装零件和制造流程非常复杂，以至于任何一张工业设计图纸都不是“正常”人类能看懂的。其实很多构造都是为了满足复杂的现实情况而设计的，是为了让产品在现实世界里更可靠，不得已而为之。但如果能够让材料自动适应环境，则制造工艺的复杂度很可能大幅降低。这才是4D打印概念最吸引人的地方。
在这一概念被提出后，很多科研人员跟进了这个研究。美国军方似乎也看到了前景。最近美国陆军研究办公室就资助了一个研究团队关于4D打印的研究，团队成员是分别来自匹兹堡大学、哈佛大学和伊利诺伊大学的各领域专业人士。
想象一下，军方的需求可能是一种装甲车涂料，适应潮湿环境，保护车体免受腐蚀，也可能是一种军服，可以根据环境有效伪装，或者更有效地防御毒气攻击。而研究团队的解决方案则是，运用内含“刺激敏感型”水凝胶的响应填料，加上精确的3D打印技术，制造一种感光后能改变颜色、根据温度可改变透气性的衣料。在烈日下的森林，这件衣服接收到绿光后即变成绿色，加强了伪装，并且分子变得稀疏，衣服变得很透气……让人不禁感叹美国大兵的日子越过越舒服。
假如4D打印技术最终能从象牙塔中大规模走上应用前台，它将使硬件得到更多创新性应用，使产品随机应变地满足更多极端要求，未来将有种种神器“想我所想、急我所急”。
（本文作者为科普作家）
3D的意思我们都懂，就是三维立体。3D打印直观上的解释就是打印出一件立体的东西。4D呢？三维再加一维。这一维可以是很多东西，通常指的是时间。问题是，时间看不见、摸不着，如果一切都没什么变化，你甚至无法感知时间。所以当我们谈时间时，谈的其实是变化。关于时间的恰当解释是：宏观上物质状态不断变化的过程。
那么，4D打印的意思就是先用复合材料进行3D打印，对于打印出来的物品，我们赋予它一种新的能力——这就是变化。这是4D打印概念的提出者、美国麻省理工学院的研究科学家斯凯拉·蒂比茨（Skylar Tibbits）给出的解释。
3D打印+自组装=4D打印
在今年早些时候的一次美国TED （技术·娱乐·设计）演讲中，蒂比茨首次提出4D打印概念。他说的变化能力，叫做自组装（Self-Assemble），也就是物体不经过人为控制，自动变成预先设计好的形态。不过，光有概念是无法打动人心的，到底他说的自组装是什么意思？3D打印出来的物品究竟会怎样自组装呢？
在演讲中，蒂比茨演示了两个已有的4D打印成果，帮助观众理解自组装是怎么回事。第一个是脊髓灰质炎病毒的模型。该模型放在瓶子里，蒂比茨晃动瓶子，剧烈的震动让“病毒”散架了。但当他停止晃动时，神奇的事情发生了，本来已经散架的模型又慢慢回到原来的样子。
可能有人要问：不是说好无人干扰吗？晃动瓶子可不算啊。好吧，说的也在理儿，但恢复成蛋白质结构时确实没有人为干扰。蒂比茨接下来给出的一个例子或许更有说服力——这是一条看起来像链子的东西。把链子放进水里后，它变成了连在一起的“MIT”字母形状，也就是麻省理工学院（蒂比茨所任职大学）的英文缩写。另一个演示是把链子浸在水缸里，它自动折叠成了一个三维立方体。这些过程没有任何人为干扰，这条链子自发变成了一个人为设计的形态。显然，它肯定经过事先的“编程”处理。
对于这种“编程”，蒂比茨没有在演讲中透露更多细节，但从他的例子中我们可以得出一些基本结论：为了完成自组装，我们首先需要特殊的材料。这种材料很可能是纳米级别，它对某种外界影响非常敏感，比如重力、压力、热量、磁性或者水之类的具体物质，再通过模拟程序，演算出现实环境中材料的变化情况，以此调整材料的组成和结构。于是当它遇到敏感源时，就能与之互动，最终变成事先设计好的形态。
目前，4D打印还是一个概念，并且这个概念并不新。实际上它的核心技术——“自组装”，在自然界里随处可见。DNA（脱氧核糖核酸）复制、RNA（核糖核酸）转录、合成蛋白质，这些生命的延续过程，实际上都是自组装，而且非常精密，和计算机有得一拼，远不是目前纳米材料的特性所能比的。
先让水管智能起来
在TED发布4D打印的演讲视频后，很多人在讨论自组装的技术原理是什么，但更多的人可能会说：“一根自动变成MIT字母的链子？嗯，这听起来很酷。但，它能帮我干什么呢？”只需要想象一下，你从“宜家”买回一把椅子（我们都知道那其实是一堆零件），当你拆开包裹后，它就开始自己组装，然后慢慢变成一把真正能让你坐上去的椅子。而整个过程，你只需要当一名合格的观众，站在一旁观赏即可。
当然现实还没发展到这一步。目前蒂比茨的计划是与波士顿的Geosyntec公司合作，开发一种新型水管。这种水管可以根据水流变化自发膨胀或者收缩，改变流量，甚至可以通过蠕动来推动水流。这意味着，它可能不需要管道疏通，也无需水泵或者阀门，这是一个完全可程序化和自我调节的水管。想想现实中那些脆弱的管子吧，如果能让它们不那么容易出状况，就足够让人兴奋了。
3D打印目前相比传统制造技术，并无特别巨大的优势。但在极端环境下，我们现有的制造技术则劣势明显。它所需的设备可能过于庞大、危险、昂贵或太过复杂，而升级到4D打印技术就会有明显的好处。太空就是一个很好的例子，传统制造技术在太空中极难发挥应有的功效，但那里却是自组装技术的好舞台。无重力是一个很好的激活环境。蒂比茨声称自己正在针对太空环境设计可以自组装成型的结构，进而转化成各种功能强大的系统。
如果我们想得更远，会发现自组装技术会让物流成本直线下降。“宜家”每次都寄一堆零件让我们自己组装，原因就是这样节省运输成本，并且在运输过程中货物不易损坏。但如果货物都实现了自组装，它们就可以非常规则地装箱，甚至就是一块平板。这时体积就不再是限制，集装箱可以成倍输送货物。结果就是快递费大减，这可能远比制造业革命更让普通消费者关心。再远一点，钢铁侠的变形盔甲？终结者里的液态机器人？好吧，有点想太多了。
重塑这个世界
在科学界，模仿生物自组装的研究很常见。
至少在6年前，同样是来自麻省理工学院、同样站在TED演讲舞台上的科研人员尼尔·格申费尔德（Neil Gershenfeld），就介绍过类似于自组装的研究，其间他也用特制材料自动组成了字母MIT。这位麻省理工学院“比特和原子中心”的头儿，来头远比蒂比茨大。他和同事成立了一个微观装配实验室，对特质材料的零件实施编码和模版构建，使其完成自我复制，而生成物的尺寸，可以小到纳米大到房子。后来格申费尔德还开了一门课叫“怎样制作任何东西”……
这样看起来，4D打印似乎一点儿不特别，那它的要点在哪儿？
这个点在3+1。所谓的自组装，也就是4D里的第四维，是建立在前三维的基础上。也就是说，已经有了成型的3D制品，才在它身上加上变化的能力。蒂比茨没有做概念上的创新，但他做了一个组合。这个组合最核心的价值在于改变制造业——“重塑这个世界”，这是蒂比茨喊出的最响亮口号。
如何重塑世界？改变制造业？怎样改变制造业？降低制造的复杂度。4D打印也许能做到。当今制造业残酷的现实是，组装零件和制造流程非常复杂，以至于任何一张工业设计图纸都不是“正常”人类能看懂的。其实很多构造都是为了满足复杂的现实情况而设计的，是为了让产品在现实世界里更可靠，不得已而为之。但如果能够让材料自动适应环境，则制造工艺的复杂度很可能大幅降低。这才是4D打印概念最吸引人的地方。
在这一概念被提出后，很多科研人员跟进了这个研究。美国军方似乎也看到了前景。最近美国陆军研究办公室就资助了一个研究团队关于4D打印的研究，团队成员是分别来自匹兹堡大学、哈佛大学和伊利诺伊大学的各领域专业人士。
想象一下，军方的需求可能是一种装甲车涂料，适应潮湿环境，保护车体免受腐蚀，也可能是一种军服，可以根据环境有效伪装，或者更有效地防御毒气攻击。而研究团队的解决方案则是，运用内含“刺激敏感型”水凝胶的响应填料，加上精确的3D打印技术，制造一种感光后能改变颜色、根据温度可改变透气性的衣料。在烈日下的森林，这件衣服接收到绿光后即变成绿色，加强了伪装，并且分子变得稀疏，衣服变得很透气……让人不禁感叹美国大兵的日子越过越舒服。
假如4D打印技术最终能从象牙塔中大规模走上应用前台，它将使硬件得到更多创新性应用，使产品随机应变地满足更多极端要求，未来将有种种神器“想我所想、急我所急”。
（本文作者为科普作家）