【导读】
4D打印通过对3D打印的物件添加刺激，诱导其进行二次形变，为智能材料、微型机械等领域提供了新的研究手段。3D打印陶瓷的前驱体不易变形，阻碍了4D打印陶瓷技术的发展。香港城市大学吕坚教授在Science Advances上发表了一项研究，开发了一种易于打印、变形的陶瓷前驱体，使陶瓷的4D打印成为可能。该研究通过捷诺飞研发的生物3D打印机进行打印。

4D打印指在3D打印的基础上增加时间维度，在外界刺激下使3D打印物体的形状和功能发生可编程变化。用于3D打印的陶瓷前驱体材料较难发生自变形，限制了陶瓷4D打印的发展。

吕坚教授的团队开发了硅胶基质纳米复合弹性体材料的陶瓷前驱体。这种材料的高弹性使其可以完成3D打印和变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，实现了陶瓷材料的折纸结构和4D打印。

研发团队采用墨水直写打印，构建陶瓷前驱体的3D结构。陶瓷前驱体具有很强的弹性，并且可以在拉伸三倍长度后恢复原状，这奠定了4D打印陶瓷的基础。前驱体通过折叠和金属丝的固定后，可以折出各种复杂的结构。将这些折叠后的结构进一步通过氩气或真空中的热处理、硝酸的腐蚀以及二次热处理后可获得固化的陶瓷结构。

在陶瓷折纸打印技术基础上，研发团队将陶瓷折纸技术中手动的步骤进行数字化和自动化，进一步实现了陶瓷的4D 打印。这一过程可以通过多种方法实现。
第一种方法是通过拉伸机对前驱体进行拉伸，并在拉伸后的基底上打印连接点，再将另一个打印好的拓扑结构进行固定。当拉伸机解除作用于基底的应力后，拓扑结构发生屈曲变形，再由热处理后进而形成4D打印的陶瓷结构。


第二种方法是通过将陶瓷前驱体按照设计好的纹路打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，在预应力被释放时，就会发生4D变形。
通过设计在预拉伸表面打印的路径可以控制应力释放后的4D变形。文中以几个有代表性的拓扑结构作为例子，展示了弯曲，螺旋和马鞍面的打印过程。
这种4D打印陶瓷的方法具有多重优点。首先，通过调整不同轴向的应力可以对4D变形进行控制，更灵活的对陶瓷形状进行调控。其次，4D打印技术可以与形装记忆材料相结合，拓宽材料的应用面。再次，这种前驱体的性能能够适应复杂的环境，如太空探索等。最后，4D打印获得的陶瓷结构具有很高的比强度，并且可以获得高强度的大尺寸结构，攻克了打印陶瓷强度与尺寸不可兼得的难题。
 
通过这个视频可以更进一步地了解神奇的4D打印：

相关论文：Liu, Guo, et al. "Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures." Science advances 4.8 (2018): eaat0641.