4D打印、变形结构在未来工程中具有巨大潜力。是吗自组装桁架或帮助细胞再生的医疗设备，在其可能性变为现实之前，该领域仍有许多挑战需要克服。到目前为止，4D打印最大的挑战之一是创建复杂、平滑弯曲形状的能力。单一材料和简单结构很难实现，因此需要多材料、异构设计。
在哈佛大学，来自约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（海洋）和怀斯生物灵感工程研究所合作创造具有挑战性的4D打印形状。在《科学》杂志上发表的一篇论文中展示了这项技术的潜力美国国家科学院院刊（PNAS），该团队开发的方法已被用于制造一个频移天线和一个平面晶格，当放置在盐水中时，该晶格呈现出人脸的形状。
变形物质的新分类
为4D打印的文件建模时，设计师会创建影响其材质转换的特征。通过准确理解材料在受到刺激时（即通过加热或盐水）是如何膨胀或收缩的，设计师可以精确地控制2D对象到可预测3D形状的转换。
在最近从SEAS和Wyss进行的实验中，通过选择、多方向重复弯曲肋，在几层中构建了一个复杂的晶格。肋骨在这个过程中使用四种不同的弹性体墨水组合沉积——每种墨水对提议的刺激反应不同。
为了实现可预测的变换，在设计阶段预先确定用于创建每个肋骨的精确位置、方向和材料。在一个例子中，对肋骨的变换进行了调谐，以创建一个天线，该天线在从平面移动到圆形拱形时改变谐振频率。在更进一步、更复杂的演示中，肋骨也被调整以模仿19世纪数学家卡尔·弗里德里希·高斯的面部轮廓，后者奠定了微分几何的基础。
“使用集成设计和制造方法，我们可以在这些印刷材料中对复杂的“指令集”进行编码，从而驱动其形状变形行为。”解释詹妮弗·刘易斯教授，委员会主席获奖哈佛大学刘易斯实验室和Hansjorg Wyss生物灵感工程教授，
刘易斯教授在总结这一项目的重要性时补充道：
“我们共同创造了变形物质的新类别。”
形式服从功能
通过本研究创建的控制几何设计已准备好应用于其他刺激响应材料，开启了4D打印“可伸缩、可逆、形状变化结构前所未有的复杂性”的探索。此类多学科方法的示例应用包括软电子开发，智能织物、组织工程和机器人技术，在某些方面哈佛大学的另一个软机器人技术的发展.
哈佛大学物理学、有机体和进化生物学教授、该研究的合著者L.Mahadevan教授总结道，“形状既能实现功能，又能约束功能。利用数学和计算来设计形状，并结合多尺度几何和多材料印刷来实现它，我们现在能够构建具有一系列功能潜力的变形结构。”
供进一步阅读∶通过多材料4D打印实现变形结构晶格该书由J.威廉·博利、维姆·范里斯、查尔斯·利桑德雷洛、马克·N·霍伦斯坦、瑞安·L·特鲁比、阿尔达·科提基安、詹妮弗·刘易斯和L·马哈德万合著。
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特色图片显示了数学学家卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）的4D打印晶格图案。哈佛大学图片
