综述：通过高分辨率4D打印实现工程刺激响应的形状变形

《Responsive Materials》：Engineering stimuli-responsive shape-morphing through high-resolution 4D printing

　　高分辨率4D打印技术通过微纳米级制造实现动态结构，结合形状记忆聚合物、液态晶体弹性体等智能材料，在生物医学、软体机器人、电子等领域应用广泛。主要技术包括数字光处理、两光子聚合和投影微立体光刻，可达到亚微米分辨率。当前挑战包括材料开发、结构设计优化及规模化生产，未来需结合AI和跨学科研究推动工业转化。

　　高分辨率4D打印技术是一种突破性的制造方式，它在传统增材制造（AM）的基础上，引入了对环境刺激的响应机制，使打印结构能够根据外部条件动态改变形状和功能。这种技术为精密工程应用提供了前所未有的可能性，尤其是在生物医学工程、软体机器人、柔性电子和光子器件等领域的应用。然而，传统的4D打印在空间分辨率上受到喷嘴直径、激光光斑尺寸和材料流变特性等限制，难以满足对微尺度和纳米尺度结构精确控制的需求。为了解决这些问题，高分辨率4D打印技术逐渐融合了微尺度和纳米尺度的AM方法，实现了亚微米甚至亚纳米级的结构分辨率，并结合了具有刺激响应性的智能材料，使得打印出的结构能够精确地在特定条件下发生形变，从而开启了一系列创新应用。

随着3D打印技术在过去几十年中的成熟，多种打印技术被开发出来，包括熔融沉积成型（FDM）、绑定喷射打印（BJP）、立体光刻（SLA）等。然而，这些技术在高精度打印方面存在一定的局限性，例如FDM需要较大的喷嘴直径以确保材料的顺利挤出，而SLA和DLP等技术虽然能够实现更高的精度，但仍然受限于材料种类和打印速度。近年来，高分辨率4D打印技术迅速发展，其核心技术包括数字光处理（DLP）、PolyJet、投影微立体光刻（PμSL）、双光子聚合（TPP）以及直接墨水书写（DIW）等。这些技术的共同特点是能够实现亚微米甚至纳米级别的打印精度，同时具备对环境刺激的响应能力，从而赋予打印结构动态变形和功能变化的特性。

在这些技术中，DLP利用数字微镜器件（DMD）生成动态位图图像，通过精确控制光的强度和方向，实现高精度的打印效果。其优势在于较高的打印精度和速度，适用于制造复杂结构和微尺度部件。然而，DLP在处理高粘度材料时面临挑战，因此一些研究人员开发了线性扫描光聚合（LSVP）系统，通过优化树脂的铺展和固化过程，显著提高了打印精度。此外，双光子聚合技术（TPP）利用超快激光和光聚合材料，能够实现纳米级的结构制造，但其主要限制在于打印速度较慢，且需要高功率激光，限制了其在生物医学领域的应用。为此，研究人员开发了低功率的TPP系统，通过调整激光波长和光敏材料，实现了在较低能量下进行高精度打印，同时保持材料的机械强度。

投影微立体光刻（PμSL）结合了DLP的高精度与光致变色材料的特性，能够实现更精细的结构打印。例如，通过调整微结构的交联密度，PμSL可以制造出具有可逆变形能力的微结构，这些结构在不同的溶剂或湿度条件下能够实现形态和颜色的变化。这种技术在微流体和柔性电子领域展现出巨大潜力，能够制造具有复杂几何结构的微通道和传感器。同时，DIW技术通过喷嘴挤出具有流变特性的墨水，逐层构建结构，适用于制造具有多种材料组合的复杂结构，但其打印速度相对较慢。为解决这一问题，一些研究团队引入了多材料打印策略，通过优化材料的沉积和固化过程，提高了打印效率和结构多样性。

高分辨率4D打印的材料选择是其成功的关键。常见的智能材料包括形状记忆聚合物（SMPs）、液态晶体弹性体（LCEs）和水凝胶等。这些材料能够对温度、光、湿度、pH值、磁性场和电场等外部刺激产生响应，从而实现动态变形。例如，形状记忆聚合物能够通过温度变化恢复其原始形态，而液态晶体弹性体则能够通过光或电场触发形状变化。此外，水凝胶因其高水含量和良好的生物相容性，被广泛用于生物医学工程，如可编程的微结构支架、可变形的微机器人和可生物降解的药物释放系统。

外部刺激的种类和机制也是高分辨率4D打印的重要组成部分。温度是应用最广泛的刺激之一，能够引发多种材料的形状变化，如SMPs和LCEs。光刺激则通过光热转换或光化学反应实现材料的变形，如利用碳纳米管或MXenes增强光热效应，从而实现对结构的精确控制。湿度和pH值的变化可以引发水凝胶的膨胀或收缩，进而改变其形态和功能。磁性场和电场则能够控制材料的排列和变形，例如通过外部磁场驱动磁性纳米颗粒的移动，实现微结构的变形和功能调控。

高分辨率4D打印技术在多个领域展现出广阔的应用前景。在生物医学工程中，它可以用于制造可变形的微结构支架、可编程的微机器人和可自愈的医疗设备。例如，研究人员利用TPP技术制造了一种微型人工心脏，能够在不同刺激下实现瓣膜的开合，从而模拟真实心脏的功能。在软体机器人领域，高分辨率4D打印能够制造具有复杂几何结构和多材料组合的柔性机器人，这些机器人能够在特定刺激下实现抓取、释放和变形等功能。此外，高分辨率4D打印还被用于柔性电子和光子器件，如可变形的电路、可编程的传感器和具有结构色变化的光子材料，这些材料能够在不同刺激下改变颜色和形态，实现光学加密和解密等功能。

尽管高分辨率4D打印技术取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。例如，打印速度与精度之间的平衡仍然是一个关键问题，尤其是在需要快速响应的领域，如软体机器人和医疗设备。此外，多材料打印仍然存在界面粘附性和材料兼容性的问题，需要进一步优化树脂管理系统和材料沉积工艺。同时，智能材料的响应速度和机械性能也需要进一步提升，以满足实际应用的需求。未来的研究方向可能包括开发具有多刺激响应能力的智能材料，结合人工智能和机器学习技术进行结构设计和性能优化，以及探索可持续的材料体系，以减少对环境的影响并提高材料的可回收性。

总的来说，高分辨率4D打印技术代表了未来制造技术的一个重要发展方向。它不仅能够制造出具有高精度和复杂结构的部件，还能赋予这些部件对环境的响应能力，使其在动态环境中实现自适应和多功能性。随着技术的不断进步，高分辨率4D打印有望在生物医学工程、软体机器人、柔性电子和光子器件等领域发挥更大的作用，为未来的智能材料和可变形结构提供新的解决方案。同时，该技术的商业化和大规模应用还需要解决材料成本、制造效率和可持续性等关键问题，以确保其在工业和医疗领域的广泛应用。