4D打印技术是一种革命性的新技术，在3D打印的三个维度——长、宽和高的基础上增加了第四个维度——时间。3D打印是预先设定好模型再打印出产品，而4D打印将产品设计通过3D打印机嵌入可以变形的智能性功能材料中，在特定因素的刺激下（比如温度、湿度、光、热、电、磁和振动等），能随时间的变化进行自发的变形，从而实现自我组装或自我重塑。
与“动物”相对，“植物”经常被认为是不会动的生物，其实大自然中的植物也是会动的。含羞草受到外力触碰或温度改变时，叶片会立即闭合，羞答答的姿态惹人怜爱。猪笼草具有奇异的捕虫器官——捕虫笼，受到昆虫的刺激，捕虫笼能关上盖子捕捉昆虫、消化并吸取营养，画风略显残忍却奇妙无比。究其原因，这些植物的茎、叶、花等器官拥有独特的微观组织结构，使得它们的形态可以随着周围环境的变化（诸如湿度或温度变化）而做出相应的改变，引起花开花闭、叶卷叶舒。科学家们由此受到启发，发展出仿生4D打印技术，或将给我们带来不一样的未来。
4D打印中编程制备各向异性结构。图片来源：Nature Materials
哈佛大学威斯研究所的L. Mahadevan和Jennifer A. Lewis等人在《Nature Materials》上刊发的论文“Biomimetic 4D printing” （Nature Mater., 2016, 15, 413-418, DOI: 10.1038/nmat4544），向我们直观展示了仿生4D打印的无穷魅力和未来的无限可能。
植物水动力学诱发的变形是由于细胞壁内部定向性纤维素原纤维的膨胀系数的不同导致的。他们在此启发下制备出一种可以嵌入定向性纳米纤维素的水凝胶“墨水”，通过丙烯酰胺单体光聚合及纳米黏土的物理交联可以快速形成模拟细胞壁结构的复合水凝胶基质。借助3D打印技术制备出可精确控制膨胀曲率系数的各向异性的双层结构，底层结构进行平行打印，上层结构进行旋转角度的逆时针打印。并探究了弹性和膨胀的各向异性与目标表面的平均和高斯曲率之间的关系，像“编程”一样预先建立了实现精确控制的数学模型，使得打印的两层结构按照设计者的意愿变幻出动态的美感。
仿生4D打印的兰花。图片来源：Nature Materials
通过仿生4D打印技术，研究者们成功打印出一种兰花形貌的结构。在浸水膨胀过程中，兰花的形貌可以随时间推移展现出动态的表面曲率变化，“花瓣”可以围绕中央漏斗状花冠进行弯曲、扭转和皱裂（打印和变形过程见下方视频）。
建议在WIFI环境观看视频
视频来源：Wyss Institute at Harvard University
研究也模拟了马蹄莲花朵的特殊结构和形貌曲率变化。
仿生4D打印的马蹄莲花。图片来源：Nature Materials
通过形貌设计、理论计算和3D打印相结合的4D打印技术，借助仿生材料和几何学的性质实现了时间和空间维度的有效控制，制备出其他技术无法比拟的产品。仿生4D打印技术开辟了制备自发变形架构产品的新纪元，未来将在组织工程、生物医学设备、柔性机器人等诸多领域引起广泛关注。
http://www.nature.com/nmat/journal/v15/n4/full/nmat4544.html
（本文由瀚海弄潮供稿）