不要小看折疊結(jié)構(gòu)，它在軍事上可用于戰(zhàn)地指揮、戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)、裝配搶修及野外帳篷等，對(duì)提高部隊(duì)的后勤保障能力、增加部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力有重要意義；在航空航天領(lǐng)域，折疊結(jié)構(gòu)有著不可替代的地位，已用作太陽(yáng)帆、可展式天線等。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，具有可控性能的智能結(jié)構(gòu)4D打印正在獲得大量研究，折紙鑲嵌，有望為產(chǎn)品開(kāi)辟新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。當(dāng)前最流行的4D打印方法之一是通過(guò)加熱故意使從FDM 3D打印機(jī)擠出的熱塑性塑料發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)或存儲(chǔ)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于工藝容易獲得且成本較低，但分辨率不可避免的受到FDM 3D打印機(jī)的限制。另一種流行的4D打印方法是打印對(duì)濕度變化或(脫)水化反應(yīng)的可收縮自折疊材料，這種方法對(duì)需要生物安全性能的可穿戴設(shè)備和食品特別有用。然而，對(duì)于復(fù)雜的形狀變化，分辨率仍然是無(wú)法回避的問(wèn)題?？傊?，當(dāng)前的4D打印技術(shù)，要么分辨率低，要么需要手工，容易出錯(cuò)且后處理較為耗時(shí)。

增材制造技術(shù)前沿注意到，東京大學(xué)的研究人員推出了一種結(jié)合2D打印、折紙結(jié)構(gòu)和化學(xué)的新方法，可實(shí)現(xiàn)快速3D物體制造，且不會(huì)產(chǎn)生任何材料浪費(fèi)。這種噴墨式4D打印工藝，有可能克服限制并為不同行業(yè)開(kāi)辟無(wú)限的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的逐層3D打印技術(shù)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)和材料浪費(fèi)不同，研究人員從4D打印中汲取了靈感。在這里，具有獨(dú)特屬性的材料在特定條件下自折疊成復(fù)雜的 3D形狀，利用時(shí)間作為轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。

東京大學(xué)電氣工程與信息系統(tǒng)系項(xiàng)目助理教授Koya Narumi 表示：“我們面臨的最大挑戰(zhàn)是完善硬件和材料的選擇，我們花了一年多的時(shí)間才將范圍縮小到最終選擇。但是所有的嘗試和錯(cuò)誤都是值得的，與之前圍繞相同基本思想的研究相比，我們將輸出分辨率提高了1200倍，打印速度提高了2.8倍，還可以實(shí)現(xiàn)全彩打印。這意味著我們可以創(chuàng)建的設(shè)計(jì)不僅新穎，而且可以用于實(shí)際應(yīng)用。未來(lái)，我們可能會(huì)探索功能材料，例如導(dǎo)電或磁性墨水，這些材料可以用于機(jī)器和其他功能設(shè)備。”

盡管打印的折紙基本上是平坦的，但它們?cè)谥醒霟崾湛s片材料的頂部和下方結(jié)合了許多不同的墨水層。底漆有助于墨水粘附在紙張上，即使在潮濕的情況下也是如此。黑色墨水可以抵抗收縮，從而實(shí)現(xiàn)折疊。白色圖層為顏色圖層提供了空白畫布。最后的透明層可以保護(hù)下面的所有結(jié)構(gòu)。

用于 4D 設(shè)計(jì)的 2D 圖層

該技術(shù)的核心是專門設(shè)計(jì)用于處理紫外線反應(yīng)材料的噴墨打印機(jī)，盡管這些打印機(jī)可能需要更高的成本。該打印機(jī)將二維折紙?jiān)O(shè)計(jì)精確地應(yīng)用到熱收縮塑料片的兩面。此外，印刷過(guò)程中使用的墨水在隨后的收縮過(guò)程中不受影響，確保即使在干燥后也能保持其柔韌性。通過(guò)策略性地合并兩側(cè)墨水部分之間的間隙，設(shè)計(jì)人員可以精確控制紙張的折疊方向。

折紙主要有兩種折痕：山谷褶皺和山脈褶皺。在每種情況下，紙張要么向內(nèi)折疊，要么向外折疊。為了進(jìn)行這些折疊，在熱收縮片的一側(cè)留有間隙，以便在加熱時(shí)，片的這一部分可以像山谷一樣向內(nèi)折疊，或者像山一樣向外折疊。

通過(guò)使用熱水對(duì)平板進(jìn)行加熱來(lái)觸發(fā)自折疊過(guò)程。在此過(guò)程中，具有抗收縮性的墨水發(fā)揮著關(guān)鍵作用，使材料自發(fā)折疊成復(fù)雜的折紙狀結(jié)構(gòu)。

“我和我的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了如何使用易于使用的工具和材料來(lái)創(chuàng)建自折疊4D物體，”Narumi 補(bǔ)充道。“本質(zhì)上，我們正在制作帶有折紙圖案的平板，這些圖案可能很復(fù)雜，即使是熟練的折紙藝術(shù)家也需要幾個(gè)小時(shí)才能形成。但得益于我們的特殊工藝，您可以將熱水倒在這些平板上，然后觀看它們?cè)趲酌腌妰?nèi)變?yōu)閺?fù)雜的3D形狀。”

專門創(chuàng)建的軟件將輸入的3D模型轉(zhuǎn)換為可以打印的2D圖案。然后可以將打印件浸入熱水中，自行折疊成最終的3D物體

研究人員對(duì)這項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)在各種應(yīng)用中的巨大潛力表示了期待。其中，時(shí)尚業(yè)將從中受益，因?yàn)樗?jīng)常面臨材料浪費(fèi)的問(wèn)題，特別是在定制設(shè)計(jì)的背景下。該技術(shù)能夠在4D打印物品保持平整的情況下運(yùn)輸它們，為解決物流和存儲(chǔ)障礙提供了一個(gè)有吸引力的解決方案，使其成為災(zāi)難恢復(fù)條件下的實(shí)用選擇。醫(yī)療設(shè)備等基本物品可以打印為平面形狀，并在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化為功能齊全的3D對(duì)象。

東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的4D結(jié)構(gòu)

一段時(shí)間以來(lái)，3D打印已被用于制作產(chǎn)品原型，現(xiàn)在更多的用于商業(yè)產(chǎn)品的制造，甚至包括噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的零件。但每種3D打印方法都有其局限性，例如完成打印所需的時(shí)間較長(zhǎng)或打印過(guò)程中殘留材料的浪費(fèi)。4D打印這一概念旨在使用最少量的材料來(lái)緩解這些問(wèn)題，這些材料被選擇為具有某些特殊屬性，使它們能夠在適當(dāng)?shù)臈l件下自動(dòng)折疊成復(fù)雜的3D 狀。它被稱為4D打印，因?yàn)樽哉郫B的過(guò)程必然要利用時(shí)間，這通常被稱為第四維度。有意思的是，這種新的快速 4D打印方法始于2D領(lǐng)域。

東京大學(xué)的研究人員表示，4D打印工藝目前正在不斷探索和發(fā)展，為快速、無(wú)浪費(fèi)制造成為現(xiàn)實(shí)的潛在未來(lái)提供了見(jiàn)解。研究人員表示，他們“熱切期待”其實(shí)際應(yīng)用及其對(duì)不同行業(yè)的影響。