3D打印大热：4D打印如何重构未来社会

大师兄*

       “3D打印堪称一项颠覆性的技术。”日前，李克强总理在主持国务院专题讨论的时候强调：中国要加快3D打印、工业机器人等新技术、新装备的运用和制造，实现中国制造水准的跃升。虽然“人”始终是最活跃的因素，但生产工具的变革往往能起到关键作用。
       李总理吹向“新打印技术”的风，不仅将掀起3D打印技术热，也将为4D打印技术的发展添柴加薪。那么，在3D打印基础上增加可自变维度的4D打印，又是一种怎样状况呢？
而关于4D我们需要一些基本的了解，在我们最为熟知的概念中普遍认知是2D，也就是在平面上打印，比如打印个文档、文件、图纸、照片之类，也就是X、Y的构成维度。而到了3D打印，通俗的理解就是在X、Y维度的基础上增加一个Z的维度，就构成了三维立体。但到了4D打印，所增加的维度不再是X、Y、Z所构成的立体维度，而是在这些维度之外所增加的时间维度。简单的理解，所谓4D打印就是在一个立体的维度基础上，目前所公认的增加维度，就是时间。

       2D、3D、4D，看起来像个等数列，实际上就是每一级增加了一个D，即打印出来的物体增加了一个维度（dimension）。如果说2D是X、Y；3D是X、Y、Z；那么4D则是X、Y、Z的基础上增加了T。这就意味着4D打印融入了时间，也就是表示4D打印就是打印出可以随时间变化而改变的物体，而这种改变我们可以理解为自我组装。
       目前国际上对于4D打印的理解主要是基于麻省理工大学一个叫NervousSystem的工作室所开发的一套4D打印系统Kinematics的试验为基础，那些3D打印出来的铰链式三角小模块，在一定的外在介质下，可以在特定的时间实现自我组装成各种不同结构的物体。美国麻省理工学院4D打印项目研发负责人斯凯拉·蒂比茨表示，“这就像把智慧植入到了材料当中。”而这种“智慧”更专业的理解为一种增加了时间维度的自变形要素，这种直接将设计内置到物料当中的4D打印，简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程，即物品在经过基础打印之后，便不再需要连接任何复杂的机电设备就可以自行变幻成所预设的产品模样，实现犹如金刚般“自动”创造。从科幻世界走入现实生活的4D打印，将给我们的生活带来哪些改变？又将给包括工业、农业、商业等人类社会的各领域发展带来怎样的深远影响？
1、4D打印实现工业制造集约化
       “促进中国制造上水平，既要在改造传统制造上‘补课’，同时还要瞄准世界产业技术发展前沿，加快3D打印等新技术新装备的运用和制造。”李总理已经对中国制造水平升级提出了明确的要求，我们可以通过工业4.0或3D打印，将产品由批量化生产向定制化制造转移；而在此基础上发展出来的4D打印，则可以在更高层次上解决产品自组装的问题，并且增加产品自行创意变化的环节。
       3D打印技术的出现，对于帮助解决一些复杂结构的设计有了更为直接的帮助，包括让一些结构部件变得更轻盈、更结实，但无法实现应对于外力环境变化而自我驱动变化。4D打印技术的运用，将可以满足不同环境的变化。比如运用4D打印技术的飞机，在面临特定环境变化时可以实现自我分解，以最为理想的状态给乘客提供保护；在航天方面也是如此，我们不再需要带着组装好的庞大设备进入太空，只要带上材料和4D打印机，或是打印好的材料进入太空即可。因为等物品到了太空之后，只要在特定的介质触发下，太空站、太空服或其他的操作设备都可以自行组装完成。这将为人类更深入地探索宇宙奥秘提供更大的便利。
       同样，对于日常的工业领域而言，4D打印技术将彻底改变当前制造与商业的业态形式；同时还将简化工业制造中的多余繁琐环节，将浪费降到最低，实现能源利用最大化。
2、4D打印为人体派驻癌症疫苗
       借助于3D打印技术进行一些器官、肢体打印并与患者有效匹配，已经在医学领域被证实应用的可行性。尤其对于一些相对骨质的肢体，应用3D打印技术更是不在话下；当然，目前对于一些软组织器官，3D打印技术的应用也在不断尝试中。
在3D打印技术发展的基础上，4D打印将进一步升级脑洞思维、开阔视野格局。甚至，人类对于4D打印的最具颠覆性技术应用，将不是局限于器官、肢体的打印，而是人体细胞的打印。通过打印这些纳米级与人体细胞类似的药物细胞，将相对应的癌细胞病毒设置为介质触发源，然后将其注射到人体内环境。那么，当这些4D打印的“人体卫士”细胞在体内巡逻时，一旦遇到癌细胞就能触发形变，实现点对点的药物释放，从而将癌细胞病毒消灭，并随人体代谢排出体外。
        4D打印在该方面的应用，或许将成为人类战胜癌症的一条有效技术通道。由此以后，人类体内将常驻“人体卫士”——癌症疫苗，时刻监测着体内环境的癌细胞变化，彻底杜绝癌症病变的机会。同样，对于人类所接触的一些未知病毒，也可以借助于4D打印技术以疫苗的形式注射进人体进行预防。
3、推动私人订制向私人工厂迈进
在3D打印技术以前，私人个性化订制几乎不太可能，我们所有的消费只能基于工业批量化生产而进行。对于制造商而言，他们需要通过对不同零部件及其供应链的整合，从而进行大规模的工业化、标准化、自动化生产来降低成本，提升企业效益，因此很难满足个性化需求。但到了3D打印时代，满足消费者的个性化需求将成为生产制造的基本要求，甚至根据用户的喜好进行私人订制也不再是什么问题。
       4D打印出现后，其所改变的将不再只是私人订制的问题，而是让每个消费者都可以实现自定义工厂、自主化生产。也就是说，未来我们要选用冰箱，将不再是直接购买一台庞大的冰箱回家，而只需要购买核心的关键部件，甚至连关键部件都可以自己定义到4D打印机上进行打印，通过不同种材料的打印之后，让其在我们需要的时候，进行自动连接并组装成为我们所设想和需要的那台冰箱。当然，在我们的需求出现变化的时候，也就是说我们需要更大的冷冻空间，或要将闲置的保鲜空间缩小，那么冰箱将会自动为我们触发组装，并自我调整空间大小以适应我们的需求。
       这与私人订制存在的最大区别是，我们不仅可以表达自己的想法，构建自己的生活，还可以借助于4D打印技术在家里定义属于自己的创新“工厂”。
4、创新速度将被进一步驱动
       传统工业制造所面临的一个问题，就是从产品立项到开发到上市销售，通常需要经历一个漫长的周期，短则半年，长的甚至还有好几年的。因为这中间牵涉到批量制造的稳定性、模具的制造与寿命等，而这些问题都在不同程度上制约了产品创新的时间周期。
        4D打印技术的出现与运用，不仅可以让我们的想法将被快速打印，而且可以将多种可能的修正要素预设在打印的材料方案中。由此在物品初打印成型之后，我们可以根据自己的想法驱动它实现自我变形、完善、修正，这对于追求创新、个性、差异化的人群而言无疑是一件极具意义且妙不可言的事情。而且，这些个人想法的快速实现将大大缩短创新的时间长度；对于传统的工业化企业而言也是如此。或许在不久的将来，因为4D打印技术的运用，传统工厂所出售的将不再是产品，而是多年沉淀的技术与服务。用户通过购买其技术能力与制造经验，以协助自己根据想法创新产品。
5、4D打印将颠覆传统商业模式
       随着4D打印技术的到来、成熟与普及，我们现在以整体物件销售为主的模式将得到颠覆，一些关键零部件都将以配件的方式存在于各种商超之中。用户所购买的也将不再是已有的产品固态，而是根据自己的想法购买相应的关键部件，然后将其与所打印的部件进行连接，有效实现“独一无二”的创意需求。
       由此所带来的商业模式改变将会是巨大的。一方面，当前以销售整体产品为主的商超，未来或将以提供4D订制打印服务与技术支持服务为主，不再以实际整体产品的销售形式存在；另一方面，一些从事于创意工作的人群，将通过为消费者提供创意设计，并为其提供4D打印服务而获得商业价值；此外，还会催生出以零部件供应为主的各种小型连锁商超。同时，基于4D打印技术运用而带来的新商业模式，还会对宜家这种以创意设计销售为主，尚需要用户自行组装完成产品的商业模式来说，也将会是一种颠覆，因为4D打印出来的产品将不再需要组装。
6、知识产权的监管备受挑战
       4D打印的发展，如同3D打印的应用一样，也在存在着“双刃剑”的问题。比如，4D打印可以轻而易举地打印出枪支器械、毒品、药品等诸多原本难以想象的物品；甚至DIY的药物生产，还将打破制作药物和化合物相对统一和一致的配方，它容许人们设计和生产自己的药物和强力化学品。这无疑将成为监管部门的噩梦。
此外，就如果现在3D打印面临着的争议一样，如何鉴定4D打印在复制拥有版权的产品设计时的知识产权问题。当用户看到一些中意的创意设计时，随手一拍，回家将照片通过
软件自动生成三维模型后，将模型输入到4D打印机上进行打印，此时对于知识产权原创的保护将变得尤其困难。尤其，4D打印的产品还能自我变化，也就进一步增加了取证的难度。
       关于4D打印的知识产权，或许我们可以打一个这样的比方，它就好比小朋友玩积木，搭出来什么东西就是什么东西。但是在这样的情况下，又有谁能说自己搭出来的东西是专利，具有知识产权，而别人就不可以也搭出同样或者差不多的东西呢？或许这时候，关于专利、知识产权的话题，可以顺势转移到积木上，而非积木的搭法。同样的道理，关于4D打印的知识产权问题，是否也可能会通过关注物的转移而打开一片新的书面呢？我们拭目以待。
        4D打印目前在军事、医疗等领域已经展开了探索，包括美国军方在内的机构对于4D打印在军事领域中的应用投入了专门的预算费用，相信不久的将来4D打印将如当前的3D打印一样走入我们的生活。