作為第四次工業(yè)革命標(biāo)志技術(shù)之一的4D打印技術(shù),是增材制造領(lǐng)域的尖端技術(shù)。與當(dāng)下3D打印技術(shù)相比,4D打印增加了時(shí)間維度,使打印產(chǎn)品能基于時(shí)間,接受特定外部刺激因子作用,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)形變、自動(dòng)修復(fù)、自動(dòng)組裝。4D打印具有人本性、智能性、交互性、生態(tài)性和生成性等教育應(yīng)用特性,可以為教學(xué)者或?qū)W習(xí)者打印個(gè)性化的教具、學(xué)具和玩具;同時(shí),利用其自適應(yīng)和自組裝能力,可以重構(gòu)智能化的學(xué)習(xí)空間,方便學(xué)習(xí)者進(jìn)行協(xié)同編程,以培養(yǎng)信息時(shí)代所需要的編程素養(yǎng)。4D打印技術(shù)的教育應(yīng)用,可以進(jìn)一步深化和推動(dòng)當(dāng)下STEAM教育的跨學(xué)科教學(xué),培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力。未來(lái)教育是人與人工智能的協(xié)作,以人工智能為核心的新技術(shù)將與教學(xué)融合,成為下一個(gè)核心驅(qū)動(dòng)力。4D打印也是人工智能在教育領(lǐng)域應(yīng)用的重要形式,其具有的智慧屬性,將更好地服務(wù)和支持未來(lái)教育,服務(wù)于面向未來(lái)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)。 

【文章來(lái)源】：遠(yuǎn)程教育雜志. 2018年01期 北大核心CSSCI

【文章頁(yè)數(shù)】：12 頁(yè)

【部分圖文】：

打印的主要構(gòu)成要素

244期二、4D打印技術(shù)的特點(diǎn)及工作原理（一）4D打印的定義自上世紀(jì)80年代第一個(gè)增材制造系統(tǒng)被提出以來(lái)，增材制造領(lǐng)域取得了巨大的發(fā)展[10]。增材制造（AdditiveManufacturing）以3D打印或快速原型為大眾所熟知，是一種可以將材料自由塑型的制造技術(shù)。3D打印技術(shù)能夠快速制造出產(chǎn)品的預(yù)想結(jié)構(gòu)，并且不需要額外的塑模與加工。近年來(lái)，3D打印的材料價(jià)格不斷下降，軟硬件設(shè)施得到優(yōu)化升級(jí)，可打印材料種類數(shù)目激增，推動(dòng)了4D打印的出現(xiàn)。2013年，麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室首次提出了4D打印概念[11]。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人斯凱拉·蒂比茨（SkylarTibbits）在TED演講上向世人展示了其團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)4D打印技術(shù)上的努力：與Stratasys、Autodesk公司合作開(kāi)發(fā)出一條由可延展與不可延展材料混合而成的線裝打印體。這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體，由兩種不同孔隙率和吸水性的材料組合而成，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)加入復(fù)雜的算法，使得線狀物體遇水能夠向指定方向形變，最終形成立方體結(jié)構(gòu)。圖1線狀物體遇水變形成正方體結(jié)構(gòu)[12]因此，4D打印最初被定義為3D打印與時(shí)間維度的結(jié)合，這種結(jié)合表現(xiàn)為：通過(guò)3D打印出的結(jié)構(gòu)在外部刺激因子（如，水、熱、光）作用下在時(shí)間的維度中發(fā)生變化[13-15]。斯凱拉·蒂比茨等人認(rèn)為，4D打印是一個(gè)全新的處理過(guò)程，“該過(guò)程需要復(fù)合材料的參與，同時(shí)，材料在外部觸發(fā)下有能力隨著時(shí)間而改變；或者是一個(gè)定制化的材料系統(tǒng)，可以從一種形狀轉(zhuǎn)變到另一種……第四個(gè)維度———時(shí)間，指的是隨時(shí)間而變化，強(qiáng)調(diào)打印出的結(jié)構(gòu)體不再是靜態(tài)的物體，而是具有可編程性，并且能獨(dú)立轉(zhuǎn)換的智能結(jié)構(gòu)”[16]。但根據(jù)Pei等人給出的定義：4D打印是使用特定的增材制造技術(shù)以及具有刺激反饋的智能材料來(lái)建造物?

能材料對(duì)外部刺激的反饋?zhàn)鳛橹饕攸c(diǎn)。我們認(rèn)為，4D打印技術(shù)需要對(duì)兩種定義進(jìn)行整合：智能材料是一種在外部特定環(huán)境的刺激下，能夠以有效的方式在不同物理域之間變化形態(tài)或?qū)傩缘牟牧�。智能材料的使用，能夠保證打印出的物理結(jié)構(gòu)按照預(yù)設(shè)的方式，在時(shí)間維度下產(chǎn)生變化�，F(xiàn)階段許多4D打印應(yīng)用，受限的原因就是沒(méi)有找到合適的材料特性。例如，4D打印可以組裝人造肌肉，但目前材料的相關(guān)變化機(jī)制和屬性不足以達(dá)到人造生物肌肉的標(biāo)準(zhǔn)[25]。因此，先進(jìn)的智能材料和打印設(shè)備，對(duì)于未來(lái)4D打印應(yīng)用的普及至關(guān)重要。如圖3所示，Sun等人將智能或刺激反饋材料進(jìn)一步劃分為多個(gè)子類。根據(jù)其分類特征，這類材料的性能可以歸結(jié)為：自動(dòng)感知、決策、可反愧形體記憶、自適應(yīng)、多功能和自我修復(fù)。2.4D打印設(shè)備在通常情況下，4D打印結(jié)構(gòu)是通過(guò)打印設(shè)備將不同材料合理分布并一次成型的結(jié)構(gòu)體[26]。不同的材料屬性，例如，溶脹比、熱膨脹系數(shù)，可以使結(jié)構(gòu)按特定方式變化成為可能。近年來(lái)，Stratasys公司所研發(fā)的聚合物噴射（PolyJetTechnology）3D打印技術(shù)，在處理復(fù)合材料打印方面取得了較大進(jìn)展[27]；選擇性激光熔化技術(shù)（SelectiveLaserMelting）則實(shí)現(xiàn)使用具有高能量密度的激光，熔化金屬粉末層以創(chuàng)造均勻的3D金屬結(jié)構(gòu)，而不需要任何粘合劑和額外的支持[28]，這些進(jìn)步都推動(dòng)了4D打印的發(fā)展。JinChoi等學(xué)者使用通過(guò)基于材料成型技術(shù)（MaterialExtrusion）特制的3D打印設(shè)備，設(shè)計(jì)出在加熱作用下能夠定向彎曲的人造手假體[30]。該結(jié)構(gòu)體是由熱塑性聚氨酯（TPU），一種形狀記憶聚合物的柔性材料組成。其使用的3D打印設(shè)備經(jīng)過(guò)改良，材料噴嘴處涂覆聚四氟乙烯并設(shè)置加熱溫床，可有效避免TPU材料阻塞噴嘴以及制造過(guò)程中的熱?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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