4D打印技术自2013年Tibbits提出以来，便受到各行各业专家的关注，2014年Tibbits对4D打印概念进行了表述[1]。4D打印技术最初被定义为“3D打印技术 + 时间”，即4D打印是3D打印结构在形状、性质和功能方面的有针对性的演变[2]。随着研究的深入，4D打印技术将被更全面的定义。4D打印技术能够实现材料的自组装、多功能和自我修复，4D打印材料具有时间依赖性，与打印机无关，因此，4D打印技术是一种具有可预测功能的材料制备技术。4D打印可以制造具有可调节形状、特性或功能的动态结构。这种能力主要依靠智能材料在三维空间中的适当组合，而数学建模是设计结构中多种材料分布的必要条件。在4D打印结构中至少有两个稳定状态，并且结构可以在相应的刺激下从一个状态转移到另一个状态。也就是说，4D打印技术可以理解为是3D打印技术与智能材料相结合的产物。4D打印出的成品通过外界的刺激发生形状、性能和功能的变化，并在数学建模的辅佐下得以实现特定的改变，从而使其满足各个领域中的应用需求[3]。自4D打印技术提出至今，4D打印的概念被越来越多的研究者所诠释，4D打印的技术得到快速发展，其应用领域也被更为广泛的开发出来。本文对4D打印的研究进展按照时间顺序进行综述，对4D打印技术的应用前景提出展望。

1 4D 打印的研究进展

2013年，美国麻省理工学院自动化实验室的创始人Tibbits首次提出4D打印的概念，2014年将4D打印概念表述为是一种由于环境相互作用而随时间变化的复杂自发结构的新设计（图1）[1]。在传统的3D打印系统中，材料是稳定且不会发生改变的，更不具有主动变形的功能，制造模型被设计和打印为静态物体；而4D打印是一种新颖的方法来模拟和制造结构，4D打印的物体能够自发转变成预定的形状，改变材料的性质和功能。同年，Martin等[4]用4D打印技术打印出一块平板，实现了该平板在特殊条件下的自折叠（图2），平板是由形状记忆聚合物纤维和弹性体基质复合而成；首先对复合材料的结构进行设计，然后将打印好的平板置于特定的温度下，平板按程序自动折叠为一个立方体形状，最后，将温度降低到原始温度后，立方体能够回复至初始形状。

2015年，Michael等[5]将时间作为第四维引入到3D打印过程中，建立4D打印模型，描绘材料随时间的变化，诠释了4D打印的概念。同年，Huang等[6]提出了四种主要的4D打印方法，并简要讨论了这些方法的主要特点，四种方法为：元素自组装；变形失配；双稳定性和形状记忆效应（shape memory effect，SME）。从根本上说，4D打印与一些复杂结构的制造技术密切相关，应用领域包括可展开的机构，双稳态结构，顺应机构，自动组装与拆卸结构，具体技术方面包含刺激引起的变形失配以及基于形状记忆效应的变形技术等。Huang等展示了一些典型应用，指出4D打印重塑产品设计的巨大潜力。Lewis等 [7]把从木浆中提取的纤维素纤维与丙烯酰胺水凝胶（遇水会膨胀扩大的一种胶状物）混合在一起，加入荧光染料后制成了一种新型 4D打印材料，包含许多微小纤维的胶状物质，硬度及水溶性都能根据不同排列方式发生变化，在“编码”后将打印出的物体变为更加复杂的形状（图3）。Zhang等[8]提出了一个简单的方法，通过触发薄印刷复合材料板的形状转换来制造智能轻型结构，利用印刷材料内部的均匀应变作为制造智能3D轻量级结构的可控工具，为工程领域可能的应用开辟了一条新途径。

  

图1 Tibbits等提出的 4D 打印模型[1]Fig.1 4D printing model proposed by Tibbits，et al[1]

  

图2 Martin 等研制的自折叠平板[4]Fig.2 Active origami box producted by Martin，et al[4]

2016年，佐治亚理工学院、西安交通大学和新加坡科技设计大学的研究者们[9]将对环境敏感的形状记忆聚合物（shape memory polymer，SMP）和水凝胶集成到多材料的3D打印结构中，创建了可以在两个稳定的状态之间可逆切换的组件，无需使用机械加载进行培训。其中，用SMP中的形状记忆效应来调节形状变化的时间依赖性，同时，SMP使组件具有比纯水凝胶组件更高的硬度。在这个设计概念中，不同材料的相互作用以及它们的空间和时间排列决定了每个结构的几何和时间形状变化特性以及机械刚度和承载能力。最后，通过应用设计原则，创建并展示了几种形状变化结构的行为，这些结构在折叠、卷曲和折纸概念的基础上展现出可逆的形状变化（图4）。同年，该研究团队3D打印形状记忆聚合物和有机聚合物基体，在基体中编排不同热效应的形状记忆纤维，通过改变温度，实现弯曲形变和初始形状之间的相互转化[10]。为了解这些具有多个活性纤维族的复合材料的形状记忆行为，研究者们开发了一个新的理论模型来描述形状恢复过程中曲率的演变。通过实验和理论建模，确定了SMP纤维体积分数和应变对复合材料曲率演化的影响。以理论预测为指导，设计和制造了几个自我折叠和开放的结构，展现了巨大的设计自由所带来的性能。

在打印技术方面，Martin等 [11]提出了一种新的4D打印方法，创建了高分辨率的多材料形状记忆聚合物体系。该方法基于高分辨率投影微型光刻技术，设计并合成了一系列光固化甲基丙烯酸酯基共聚物网络，该共聚物展现出期望的热机械行为以实现受控的形状记忆行为。同时，使用高分辨率、高对比度数字微型显示器，以确保得到高分辨率的光固化甲基丙烯酸酯基形状记忆聚合物，这种方法下制备得到的材料与常见的丙烯酸酯基聚合物相比需要更高的曝光能量。为了理解3D复合微体系结构的行为，对其复杂的非线性、时间相关的行为进行高保真的计算模拟，并研究影响材料局部变形，形状固定和自由回收率的重要因素。Monzón等[12]认为4D打印的第四个维度是指材料在生产后能够改变其形状，以提供额外的功能和性能。该课题组用热塑性聚氨酯作为形状记忆材料，在实验室条件下通过热刺激来实现聚合物的形状变化并对其进行编程；不仅如此，通过基于挤出的增材制造工艺来确定这种材料的性能，并生产用于测试的部件。结果表明，3D打印部件成功地保留了形状记忆的特性，并且能够发挥其作为机械致动器的作用。最后，他们设计并制造了一个作为执行器的线圈，以证明相同的材料可以扩展到其他应用。

2017年，Zhang等[13]利用大豆油环氧化丙烯酸酯作为液态树脂制备三维生物医用支架，并评估其与人类骨髓间充质干细胞的生物相容性。所制备的支架具有优异的形状记忆效应，能够发挥4D打印的功能，这项研究显著推动了可再生植物油和4D打印技术在生物医学领域的发展。Magdassi等[14]使用商业立体光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）打印机（Picoplus39，Asiga）和定制的树脂黏性熔体制造复杂的形状记忆结构，用于可穿戴柔性电子器件。该研究中的形状记忆热固性材料为聚己酸内酯（PCL），这是一种半结晶聚合物，通过对3D打印的结构施加热刺激，能够根据其形状记忆的性能实现其在功能化电子器件领域的应用。同年该课题组[15]使用甲基丙烯酸酯半结晶聚合物通过3D打印制备出具有形状记忆行为的物体，研究了染料加入对光聚合反应和打印过程的影响，并将材料通过数字光处理打印的方法制造出动态珠宝和鞋配件。

  

图3 Lewis等的 4D 打印水凝胶花[7]Fig.3 4D printed flowers by Lewis，et al[7]

  

图4 自折叠花朵[9]Fig.4 A self-folding flower[9]

［18］YANG H, LEOW W R, WANG T, et al.3D Printed photoresponsive devices based on shape memory composites[J].Advanced Materials, 2017, 29（33）: 1701627-1701634.

2017年，4D打印技术在应用科学与工程方面也有着重大的研究进展。Naficy等[19]开发了一系列3D打印用具有热敏性的水凝胶墨汁，建立了简单的模型来预测打印结构的弯曲特性，其中包括弯曲曲率和弯曲角度。这个模型可以用来确定各种材料组合的最佳参数，以创建所需形状转变的全水凝胶结构。Choong等[20]使用基于双组分相转换机制的热响应丙烯酸叔丁酯-二乙二醇丙烯酸酯共聚物（tBA-co-DEGDA）网络，通过立体光固化成型方式得到4D打印材料。这项工作还建立和展示了几个关键特征，包括快速可控的固化、适合的固化深度、打印过程中的有效强度和打印环境的温度。这些关键特性是在标准树脂3D打印工艺的基础上，成功制造出4D打印用材料的重要影响因素。同年，Genzer等[21]开发出了一种新型的自折叠4D打印材料，使用台式打印机来将不同光吸收率的油墨图案化为其他均匀的预应力聚合物（例如聚苯乙烯）片材的铰链。打印在同一张纸上的不同颜色的铰链根据它们被照射的光的波长依次折叠（图7）。毋庸置疑，这种类型的形状编程在众多领域中均有一定的应用价值，包括可重新配置的电子器件、致动器、传感器、植入式器件、智能封装以及可展开结构等。北京大学、北京理工大学和佐治亚理工学院的研究者们[22]提出了正面光聚合方法来创建三维（3D）折纸结构，打印出的平板在光照下变化成为折纸结构，这个过程可以很容易地使用商业投影机来实现。

  

图5 立体光固化成型方法打印的可变模型[14]Fig.5 Deformable models printed by SLA[14]

  

图6 Chen 等 4D 打印的光响应智能结构[18]Fig.6 4D photoresponsive devices based on shape memory composites printed by Chen, et al[18]

［19］NAFICY S, GATELYT R, GORIN R, et al.4D printing of reversible shape morphing hydrogel structures[J].Macromolecular Materials and Engineering, 2017, 302（1）:1600212-1600221.

4D打印技术在人们的日常生活中同样具有很大的发展潜力，研究者[24]将4D打印技术应用于食材中，由普通食物材料（蛋白质，纤维素或淀粉）制成的可食用的2D食物片可以在烹饪过程中转变成3D食物（图9）。这种转换过程是由吸水引发的，并且与“扁平包装”概念强有力地兼容，大大降低了食材的运输成本和存储空间。人们可以定制食物的形状变换，然后使用3D打印技术来制作预期形状的食材。这种技术提供了三种应用，即二维到三维的折叠、水化诱导的包装和温度诱导的自我片段化，为人们呈现出形状、质地和与食品材料的相互作用。基于这个理念，研究者在厨房里创作了几种菜肴，通过材料的互动设计来展示未来的用餐体验。

本节通过2个例子来展示文中提出的域间二维路由的应用场景，每个场景都用域间二维路由来解决传统网络遇到的难题。

2 4D 打印的应用展望

环境适应机构与健康监测器方面，4D打印的智能材料如形状记忆合金（shape memory alloy，SMA），具有驱动功能和感应功能，不仅可以作为执行机构在不同温度下产生变形，而且还可以测量结构内部的应变、温度和裂纹，检测疲劳和破坏[25]。

军事武器与陆地装备方面，可使用4D打印的方式将形状记忆聚合物制造为轻质便携的武器装备，首先以平板或包袱等简单的结构4D打印出来，在需要使用的时候将其触发，使其自动变形成为事先设计的结构，如野营帐篷、作战浮桥等，这种4D打印的武器装备便于携带和运输，节省储藏空间和运输空间，自动变形减少人力物力；同时，这种4D打印的结构可以回收后将其重新编程，设计成为其他功能的武器与装备[26]。

  

图7 依次折叠的 4D 打印结构[21]Fig.7 Sequentially folded 4D printing structure[21]

  

图8 4D 打印的仿生可穿戴设备[23]Fig.8 4D printed biohybrid wearables[23]

4D打印结构的最大优势在于其可变性，这个功能能够极好的发挥在变体机构中，在变体飞行器方面，4D打印形状记忆聚合物作为变体飞行器机翼的无缝蒙皮，能够同时满足飞行器变形和轻质的需求[27]。空间展开机构方面，将4D打印形状记忆聚合物植入装备的关键部位或敏感部位，例如铰链、天线幅面控制装置等，把构件设计成折叠状发射到使用地点，通过特殊的参数刺激控制来实现展开机构按照程序自动展开，利用这种原理实现的展开机构相比于传统的展开机构，具有重量轻、精度高、活动部件少的优点，可根据环境和使用目的而优化航天器结构与性能，具有较大的军事应用前景[28-30]。

  

图9 可变形食物设计思路[24]Fig.9 Shape-changing food design[24]

［14］ZAREK M, LAYANI M, COOPERSTEIN I, et al.3D printing of shape memory polymers for flexible electronic devices[J].Advanced Materials, 2016, 28（22）: 4449-4454.

仪表电缆的交流额定电压在500 V以下，电缆线径一般在7～30 mm。当传输弱电信号时，仪表电缆需要抑制外界噪声和寄生信号，在苛刻的现场环境下保证信号传输的精度。根据电缆的性能和使用场合的不同，仪表电缆的结构也有所差异。仪表电缆的基本结构包括导体、绝缘层、分屏/总屏、内护套、铠装层和外护套等[5]，仪表电缆的基本结构如图1所示。

3 结束语

自2013年4D打印技术提出至今，4D打印的概念被越来越多的研究者所诠释，4D打印技术得到快速发展，其应用领域也被更为广泛开发。然而，4D打印技术及其在智能材料结构中的应用尚处于起步阶段，对其理论技术的研究和应用领域的探索将对传统机械结构的设计和制造产生深远的影响。研究者们应立足于4D打印技术，更多地将目光投入在特定领域的4D打印的应用，力求在相应的研究背景下最大化的发挥4D打印的颠覆性技术。

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这是《战斗宣言》中的一句唱词，在西媒报道中引起广泛争议的正是配唱部分中“杀杀杀”的翻译。在作为研究对象的九篇西媒报道中，有三篇以“kill,kill,kill”或“waiting for order to kill”作为大字标题（Boeen 2016;Conner 2016;The Guardian 2016），占据相当大的版面，给读者以强烈的视觉冲击，让人感觉触目惊心，仿佛解放军是一支本性嗜杀的军队，正在以杀戮作为卖点去招募新兵。新闻报道的负面性价值也因此得以实现。

［12］MONZON M D, PAZ R, PEI E, et al.4D printing: processability and measurement of recovery force in shape memory polymers[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 89（5/6/7/8）:1827-1836.

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参会代表对于中方提出的构建人类命运共同体的主张，弘扬共商共建共享的全球治理理念，以及共同、综合、合作、可持续的新安全观高度认同，认为中国为维护世界和平与稳定作出了重要贡献。

［6］ZHOU Y, HUANG W M, KANG S F, et al.From 3D to 4D printing: approaches and typical applications[J].Journal of Mechanical Science and Technology, 2015,29（10）: 4281-4288.

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研究二结果虽与研究一基本一致，但交互作用仅达到边缘显著，为进一步验证假设，在研究三中运用了2015年中国社会状况调查(CSS)的大数据进行统计分析。

［13］MIAO S, ZHU W, CASTRO N J, et al.4D printing smart biomedical scaffolds with novel soybean oil epoxidized acrylate[J].Scientific Reports, 2016（6）: 27226-27236.

在生物医疗方面，4D打印形状记忆合金可作为骨科内固定手术器械的制造材料，可制造形状记忆合金“长骨接骨板”、“髌骨爪”等系列骨科内固定手术器械。一些权威的骨科专家认为，形状记忆合金骨科器械避免了传统骨科内固定手术中钻孔、楔入、捆扎等人为性损伤性操作，减缓了患者的痛苦和医生的劳动强度，“是传统骨科器械理想有效的变革性器材”。目前发现具有“记忆”形状能力的合金已达80种，被应用的主要是镍钛合金材料[31-33]，其经过后期的锻造、拉丝及热处理，就会变成记忆合金，因此，在生物医疗领域，4D打印形状记忆合金具有很大的发展潜力。

［15］ZAREK M, LAYANI M, ELIAZAR S, et al.4D printing shape memory polymers for dynamic jewellery and fashionwear[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2016,11（4）: 263-270.

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2017年，在材料科学领域，佐治亚理工学院、西安交通大学和新加坡科技设计大学的研究者们[16]开发了一种在高分辨率三维结构中打印复合聚合物的方法，通过加热直接快速转化为新的永久结构。组件的永久形状是由加热时的打印形状的程序时间演变而产生的，设计并制备由记忆聚合物和内置压缩应变的弹性体组成复合材料，加热后，形状记忆聚合物软化，释放对应变弹性体的约束，并允许物体转变成新的永久形状，然后可以重新编程成多个后续形状。该研究团队的重大进展在于对复杂的3D可编程结构制造过程的显著简化，这将有助于跨领域，包括医疗技术，航空航天和消费产品的无数应用。Xie等[17]认为，4D打印与3D打印的区别主要表现在打印结构中引入的应力。该课题组将多维响应聚合物超高速印刷，其中包括形状记忆水凝胶和形状记忆聚合物，利用光可固化单体上的数字曝光，不需要垂直维度上的逐层处理，也不需要平面维度上的顺序像素处理。Chen等[18]通过将熔融沉积造型印刷技术与形状记忆聚合物和炭黑的光响应形状记忆复合材料相结合制备了4D打印光敏性材料（图6）。外部照明触发3D打印结构从临时形状到原始形状的恢复。这种简单的方法将为仿生智能设备和软机器人的设计和制造提供巨大的应用前景。

男人的声音再次响起了：“各位观众，每次的演出只允许二十个人观看，可是，在这个剧场里有二十一个人，我希望这名观众能自动退出，从安全通道直接走出剧场。”

在生物工程方面，研究者们[23]利用活细胞的吸湿性和生物荧光行为设计仿生可穿戴设备，这种穿戴设备对人体汗水具有多功能的反应（图8）。通过将基因易处理的微生物沉积在湿度惰性材料上获得微生物密度不均匀的多层结构，这种生物杂化膜可在几秒钟内对环境湿度梯度做出响应，并可逆地改变形状和生物荧光强度。对这种功能性膜进行实验表征和机制建模，用于指导可穿戴运动套装的设计，能够与人体的冷却需求协同动态地调节通风。

上海市2012年被水利部确定为实施最严格水资源管理制度试点城市。取水许可管理是落实取水总量控制指标的核心工作之一。两年来，通过不断完善取水许可管理法规体系，强化规范化管理理念，落实取水总量控制指标，有力推动取水许可工作向精细化管理方向迈进，为上海社会经济可持续发展作出了贡献。

［20］CHOONG Y Y C, MALEKSAEEDI S, ENG H, et al.4D printing of high performance shape memory polymer using stereolithography[J]. Materials & Design, 2017,126（15）: 219-225.

［21］LIU Y, SHAW B, DICKEY M D, et al.Sequential selffolding of polymer sheets[J].Science Advances, 2017,3（3）: 1602417-1602424.

(1)本文通过层次分析法确定了同德县地质灾害主要影响因子，建立信息量模型，利用贡献率法赋予因子权重，在GIS平台上通过叠加计算最终得到同德县地质灾害易发性区划结果。分区结果与现状地质灾害发育情况和分布特征较吻合，因此证明基于GIS 和信息量模型的地质灾害易发性评价方法是切实可行的。

［22］ZHAO Z, WU J, MU X, et al.Origami by frontal photopolymerization[J]. Science Advances, 2017, 3（4）:1602326-1602333.

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利用GeoIPAS 软件对研究区内20种元素进行相关分析，由表1可知研究区与察汗乌苏河地区6幅1∶50 000水系沉积物测量元素丰度值及全省丰度相比较结果。与全省相比，研究区Ag，As，Bi，Cd，Mo，Nb，Pb，Sb，Sn，Th，U，W，Zn等元素丰度偏高，而Au，Co，Cr，Cu，La，Nb，Ni，Y等相对偏低；这种特点说明：(1)Ag，Pb，Zn，W，Mo等金属元素在研究区更易富集成矿；(2)Co，Cr，Ni等元素呈局部高背景，这与研究区出露的超基性岩、辉长岩及晚奥陶世石英闪长岩有关。

σi为风险资产i的标准差，wi为投资组合中投资于风险资产i的比例，设风险资产i的非系统性风险的组合标准差为σB，显然有：

［25］LI X, LI X, SHANG J, et al.Intelligent materials: a review of applications in 4D printing[J].Assembly Automation, 2017, 37（2）: 170-185.

（3）采用变分基本原理，对采用变分方法如何确定桥梁结构在某特定条件下温度的具体分布进行了分析，并阐述对温度场分布实施有效简化的具体方法。

近年来，在河南省委、省政府的正确领导下，全省农机系统以加快农机化供给侧结构性改革为中心任务，以“四优四化”为着力点，围绕“提质增效转方式、稳粮增收可持续”这一主线，大胆创新，稳中求进，持续推动河南农业机械化快速发展。

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碳纳米管的导电性能大部分由其结构参数,管径、管长以及螺旋对称结构来决定,不同的管状结构和连接方式可以使碳纳米管呈现出导体、半导体或者绝缘体的性质.通过选择性地控制复合材料中碳纳米管的含量以及种类来改良其导电性以及稳定性.这种能定量改变复合物电学性能的特征使得碳纳米管在导电材料、电磁屏蔽材料等方面都有着很大的发展前景.

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