我們製造物品的方式中最重大的突破不在於操縱材料的技術，而在於材料本身。這就是“4-D 列印”背後的理念，這是一種實驗性的製造方法，它擴充套件了備受炒作的 3-D 列印工藝。4-D 列印不是用塑膠或金屬層構建靜態的三維物品，而是採用動態材料，這些材料會持續演變以響應其環境。
製造者運動中的這一新變化來自麻省理工學院的自組裝實驗室，主任 斯凱拉·蒂比茨 和他的團隊正在試驗所謂的“可程式設計材料”。研究人員使用 3-D 印表機列印這些物質，然後觀察第四維度——時間——接管，材料改變形狀或自動重新組裝成新的模式。
軟體、計算機和組裝工藝的改進使得在將設計轉化為實際物品時，能夠實現更復雜的設計和更高的自動化程度。然而，蒂比茨設想了一種情景，即材料本身包含自組裝所需的資訊，從而為製造商節省時間和金錢。
大眾科學 與蒂比茨談論了他將 3-D 列印帶入新維度的努力。
[以下是採訪的編輯稿。]
您的背景是建築、設計計算和計算機科學。您是如何對自組裝材料產生興趣的？
我一直在製作這些實驗性結構和裝置，並在世界各地的畫廊展出，這讓我更多地思考所涉及的材料。我並不一定想發明新材料，而是想以聰明的方式組合現有材料。
我的一部分工作是編寫程式碼來數字化設計事物。如果我們能編寫程式碼來操作機器，為什麼我們不能使用程式碼來讓事物自行組裝呢？
已經存在哪些“智慧”材料的例子？
我最喜歡的例子是一箇舊式恆溫器，一個非數字的。如果你拉開那個恆溫器的蓋子，會看到一個帶有雙金屬片的線圈。你有兩種金屬夾在一起，具有不同的膨脹率。當發生細微的溫度變化時，它會向左或向右轉動線圈。這會轉動一個刻度盤，以增加或減少熱量。沒有電機或傳統的感測器。它只是一種材料，透過膨脹和收縮來轉動刻度盤。
另一種存在已久的智慧材料是 鎳鈦諾 [鎳-鈦合金]，一種 形狀記憶合金，用於支架和其他生物醫學技術。你有一根具有記憶力的金屬絲，加熱時會呈現某種形狀。當你向 [鎳鈦諾] 通電流時，它會改變形狀，這使你可以將用該材料製成的醫療裝置放入體內狹小的空間中。除了金屬，還有形狀記憶聚合物——也稱為 “智慧塑膠”——用於各種小規模應用。
您是在試驗這些材料，還是在創造您自己的可程式設計材料？
我們使用其中的一些材料，但我們儘量不依賴它們，因為它們很昂貴，並且已經具有明確的特性。我們寧願使用日常材料，如塑膠、金屬和木材，並以聰明的方式將它們組合起來。我們對 4-D 列印的願景 是以不同的厚度和方向組合和列印這些材料。較厚的材料在列印後改變特性的速度較慢，但證明更堅固，而較薄的材料變化迅速，但較弱。當組合在一起時，這些不同的材料特性會對它們的環境（無論是放置在光、水還是其他介質中）產生不同的反應，這種反應可以模仿由致動器、電機和感測器驅動的機器組裝裝置的運動。
當您談到包含組裝過程資訊的可程式設計材料時，您指的是哪種型別的資訊？
此資訊以材料的特性、其形狀（或幾何形狀）以及用於啟動自組裝的能量的形式存在。例如，我們的一種材料具有在浸入水中時使其膨脹並改變形狀的特性。為了保持對材料如何變化的控制，我們將其設計為具有特定的幾何形狀，該形狀決定了它將捲曲的方向、捲曲的次數以及捲曲的角度。現在我們需要使該材料更直觀易用且更易於控制。
您如何程式設計這些材料以可預測的方式表現？
您圍繞它們自組裝所需的能量來設計它們。您透過測試大量材料並量化結果來了解它們將響應的能量閾值以及它們的反應方式。我們列印了一條 50 英尺長的材料，並將其放入游泳池中，原因有兩個：研究它在浸沒時會如何變化，以及確定我們是否可以使用真正的大型結構。該線束的一部分由黑色、剛性塑膠製成，該塑膠決定了其幾何形狀——變化時的角度和方向。該線束還由第二條白色塑膠製成，當放入水中時，該白色塑膠會膨脹 150%。這種反應是 導致線束摺疊 的原因。
3-D 列印面臨的最大挑戰是什麼？4-D 列印如何解決這些挑戰？
3-D 列印的兩個問題是大多數印表機中可用的床尺寸較小，以及構建需要嵌入式電子裝置的東西的難度。我們透過在五英寸立方體的空間內列印 50 英尺長的線束來解決第一個問題。我們透過使用設計為表現得好像它們具有感測器和致動器的多功能材料來解決第二個問題，這樣您就不必將這些電子裝置新增到列印裝置中。
您需要特殊裝置來進行 4-D 列印嗎？還是可以使用標準的 3-D 印表機？
使用 多材料印表機（例如我們使用的 Stratasys Connex）進行 4-D 列印要容易得多。該系統像噴墨印表機一樣噴出 [光敏聚合物] 材料的液滴，並用紫外線固化它們。Stratasys 印表機同時沉積兩種不同的材料。或許可以使用一臺使用一種材料的機器列印 4-D 物體，但那樣您將更多地依賴於設計到該材料中的幾何形狀。
除了 50 英尺的自摺疊線束外，您還創造了哪些其他 4-D 物體——以及下一步是什麼？
還有一個平面，浸入水中時會自摺疊成一個立方體。[根據水溫，摺疊大約需要 20 分鐘。] 我有興趣在一些現實世界的產品中實施這些特性，因為我們想表明這不僅僅是一些魔術。[請看下面的影片。]
我不能說我們正在與誰合作，但這項技術的一個關鍵領域是運動服裝、運動器材、服裝領域。那裡存在興趣，因為所有主要的運動服裝公司都在增材製造方面投入巨資，他們希望使用更高效能的材料。
我們沒有研究這個，但汽車、航空航天和海洋工業的許多方面都依賴於形狀作為效能的關鍵引數。一切都與最小化阻力並提高效率有關。隨著環境的變化，形狀需要改變。在汽車領域，可能是輪胎。不同型別的駕駛和路況有不同的輪胎，無論是賽車駕駛還是越野駕駛。它們之間的區別與輪胎胎面的形狀、抓地力和深度有關。
開發智慧運動服裝和輪胎以及其他可能從 4-D 列印中衍生出來的東西的最大挑戰是什麼？
有很多工作要做。一個領域是設計工具，我們正在與 Autodesk [3-D 設計軟體製造商] 合作開發。我們還需要更好的材料特性。我們試驗過的材料現在可以工作，但如果用於產品，它們能持續多久？它們能否在一段時間內按需發揮作用？我們擁有的可程式設計材料可能尚未為市場做好準備。另一個挑戰是簡化 4-D 流程。我們需要對材料的效能提前有一些定量的概念。
這些問題背後的事實是，我們是一個研究實驗室。我們的工作是推動知識和發現新事物。我們不開發新產品；我們依靠行業來實現這一點。新的 4-D 列印應用的開發取決於與有興趣追求這項技術的企業之間的密切合作。
https://vimeo.com/64926672
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4D 列印：自摺疊表面立方體 來自 斯凱拉·蒂比茨 在 Vimeo 上。