相比于传统的制造方法，3D 打印具有一系列独特的优势，比如支持高度定制化的柔性生产从而可以满足特定的应用需求，能够以数字化的形式制造复杂几何外形和内部精细结构从而为产品设计提供极大的自由度，还可实现一体化加工成型从而无需进行繁琐的后续组装工序。
4D 打印是在 3D 打印的基础上更进一步，使打印的静态 3D 物体具有动态的刺激-响应性能，因而在制备自动组装或可变形的智能结构方面表现出独特的优势。
3D/4D 打印技术在医疗、建筑、航空航天、机器人等领域具有广泛的应用前景。例如：
在医疗领域，可以利用 3D/4D 打印制造个性化的可植入式医疗器械，比如自展开式的功能支架或药物缓释系统；
在建筑领域，可以利用 3D 打印制造建筑元件，使用 4D 打印制造具有自适应性的建筑结构，以便提高能源效率；
在航空航天领域，可以利用 3D/4D 打印制造轻量化的可变形机翼或空间飞行器自展开太阳能帆板，以提高飞机和宇航器的性能。
近年来，4D 打印技术的发展为液晶弹性体（LCEs，Liquid crystal elastomers）的设计和制造解锁了更多的可能性。LCEs 是一类非常有前景的智能软材料，可以在多种外界刺激下发生与其液晶基元取向相关联的大幅度可逆的形状变化。
这种“刺激-响应性”让 LCEs 在软体机器人、生物医学、电子学、光学等领域显示出巨大的应用潜力。相比传统的制备技术，4D 打印技术特别是挤出式墨水直写技术，能够同时对液晶基元的取向排列和制件的三维结构进行编程控制，从而获得具有理想“刺激-响应性”的 LCEs 器件。
然而，目前大多数 4D 打印 LCEs 依赖于热响应机制，形状变化特性固定且单一，缺乏功能多样性和可再编辑性，难以适应实际应用环境尤其是多功能仿生机器人、多任务制动器和高精度自适应设备的需要。
基于此，新加坡南洋理工大学周琨教授和团队提出一种创新解决方案，通过开发可打印的光致变色二氧化钛纳米晶（TiNC）/LCE 复合墨水，并借助墨水直写 4D 打印技术，成功打印出一种 LCEs，它们具备可再编程的光致变色性能和光热制动性能。
（来源：Advanced Materials）
所打印的材料能在紫外光辐射之下从白色转变为黑色，并在空气中从黑色可逆地变回白色，且能获得可编程的光热制动行为。
通过精心设计结构和控制光照辐射，该团队实现了 4D 打印 TiNC/LCE 复合材料的整体或局部编程、擦除和再编程功能，进而创造出多样化的颜色图案和复杂的 3D 结构。
这项研究不仅拓展了 4D 打印 LCEs 的应用范围，还为可再编程功能实现提供了新途径，为制造具备复杂功能的智能软机器人提供了新的灵感，也为设计和构建具有独特和可调功能的自适应结构开辟了新途径。
所开发的材料在多功能软体机器人、伪装和多级信息存储等多种领域具备一定应用潜能。这项工作不仅能为材料研究领域带来创新，还将在光学传感、显示、防伪等方面产生广泛应用。
（来源：Advanced Materials）
研究中，该团队先是从 4D 打印的原材料墨水材料的开发着手。这个阶段的目标是确保复合的墨水不仅能拥有良好的打印性能，还能满足可逆光致变色特性和可再编程响应特性的要求。
其次，他们将结构设计作为研究的重要组成部分。不仅在微观层面上优化了液晶基元的取向排列方式，同时在宏观层面也进行了几何结构的设计，以便最大程度地发挥材料的性能。
再次，打印工艺的优化是保证研究成功的关键一环。为此他们不仅需要调整打印参数以实现液晶基元的取向排列，还需以较高精度让打印件的三维形状得以保持。
最后，通过性能测试和表征，他们揭示了“材料-结构-打印”三者之间的相互影响，通过参数优化的推动，实现了理想的刺激-响应特性。
期间，也曾经历一段颇具挑战的时期。担任相关论文第一作者陈梅博士曾遇到一个技术难题：即所制备的墨水材料无法顺利地被打印机挤出。
通过深入分析打印过程中的各个环节，他们发现挤出口处打印温度偏低导致材料无法正常挤出。
为解决这一问题，他们对打印机装置进行优化改造，为打印头配置了分段加热套。经过对工艺参数进行精细调整，成功克服这一难题，实现了墨水材料的连续挤出。
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
最终，相关论文以《具有协同光致变色和光致动的可重新编程液晶弹性体的 4D 印刷》（4d printing of Reprogrammable Liquid Crystal Elastomers with Synergistic Photochromism And Photo-Actuation）为题发在 Advanced Materials，陈博士是第一作者，周教授担任通讯作者。
该工作为未来智能材料的发展开辟了新的可能性。在此基础上，周琨教授团队将专注于两个关键方向的后续工作。
第一，将基于新材料的突出性能进行深入的结构设计，以探索其在软体机器人领域的实际应用。通过将材料的光致变色和光热变形特性融入到机器人的设计中，其将尝试创造更加智能化、更加多功能化的机器人系统。
第二，他们将进一步拓展新材料的功能性。例如，将光致变色的纳米粒子与胆甾相液晶弹性体相结合，以实现复合材料的选择性光波反射和力致变色等引人注目的性能。
图 | 周琨（来源：周琨）
据介绍，周琨教授团队依托于新加坡 3D 打印中心和惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室，在 3D 打印的基础和应用研究方面拥有十余年的工作积累。
研究方向涵盖 3D 打印功能性高分子和高性能金属材料设计与制备、多尺度多物理模拟仿真、宏微观力学行为、先进结构设计与工业应用等。
针对不同的应用需求，该团队已与多家企业合作开发了多种 3D 打印高分子复合材料，共同申请了多项国际专利。
参考资料：
1.Chen, M., Hou, Y., An, R., Qi, H. J., & Zhou, K. (2023). 4D Printing of Reprogrammable Liquid Crystal Elastomers with Synergistic Photochromism and PhotoActuation. Advanced Materials, 2303969.
