哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）與Wyss生物工程研究所的科學(xué)家們一直在攜手合作，共同在微觀尺度開發(fā)4D打印技術(shù)。

受到植物在受到外界刺激時會隨著時間而改變其形狀的啟發(fā)，研究團(tuán)隊開發(fā)出一種特殊的水凝膠復(fù)合配方，一旦淹沒在水中就會生成可以預(yù)測的形狀。這一研究的資深作者Jennifer A. Lewis暗示：“這項研究代表了我們在可編程材料組裝方面的可喜進(jìn)展，這是通過多學(xué)科的方法實現(xiàn)的。我們現(xiàn)在已經(jīng)超出了整合形式和功能以創(chuàng)建可轉(zhuǎn)換的架構(gòu)。”

該研究報告的共同作者是A. Sydney Gladman，他是由Lewis指導(dǎo)的研究生研究助理，專門研究聚合物和復(fù)合材料的打?。灰约?/span>Elisabetta Matsumoto，她是由Mahadevan指導(dǎo)的博士后研究員，其專門研究凝聚態(tài)物質(zhì)和材料物理。

在這項研究中，科學(xué)家們使用水凝膠復(fù)合材料包裹取自木材的纖維素纖維。他們使用3D打印的方式細(xì)致對齊和放置萃取的水凝膠復(fù)合油墨，得益于一種專有的材料預(yù)測模型，輸出材料隨著時間膨脹和硬化的順序可以“預(yù)編程”進(jìn)設(shè)計中。

毫無疑問，這種能夠精確預(yù)測物品如何會在受到外部刺激（包括濕度和溫度）時如何反應(yīng)的技術(shù)在智能紡織品、軟電子部件、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和組織工程方面意義重大。

為了進(jìn)一步展示這項技術(shù)，他們制作了兩個形狀像花的對象，這兩個對象一開始看起來完全一樣，但是一旦接觸到水后就會演變成完全不同的形狀。下面的一個類蘭花形狀的形成過程（凝膠中加入了熒光劑）就是4D打印的一個很好的例子。

據(jù)了解，就像我們看到的普通3D打印機(jī)那樣，研究團(tuán)隊使用打印頭擠出復(fù)合油墨，一次一層，釋放之后會快速凝固。此外，與傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)類似，它的復(fù)雜性完全主要體現(xiàn)在軟件這邊。Matsumoto指出“我們的數(shù)學(xué)模型規(guī)定了為了實現(xiàn)預(yù)定形狀轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需要的打印路徑。使用完全可調(diào)諧和可編程的方法，我們可以控制曲率的離散和連續(xù)程度。

尤其是，數(shù)學(xué)建模解決了“反問題（inverse problem）”，這是為實現(xiàn)制定目標(biāo)形狀，預(yù)測選用什么樣的打印刀具路徑以編碼其膨脹行為所必須解決的挑戰(zhàn)。

“我們很高興能夠在工程結(jié)構(gòu)中設(shè)計和實現(xiàn)一些大自然中才有的解決方案。”Mahadevan說。他研究了植物中各種卷曲現(xiàn)象，比如花如何綻放，和松果如何打開和關(guān)閉等。“通過解決反問題，我們現(xiàn)在能對其進(jìn)行反向工程，并確定如何變化其局部不均勻性，比如這些打印的油墨線條之間的間距和各向異性等，以控制這些變形對象的時空反應(yīng)。

除了在上面視頻中展示的材料之外，該數(shù)學(xué)模型也可以應(yīng)用于其它材料。Gladman說：“我們可以互換不同的材料，以調(diào)整其電導(dǎo)率或生物相容性等屬性。”

這項研究得到了美國軍隊研究辦公室（ARO）和美國全國科學(xué)基金會（NSF）下屬的材料研究科學(xué)與工程中心（MRSEC）的部分資助。