哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院（SEAS）與Wyss生物工程研究所的科學家們一直在攜手合作，共同在微觀尺度開發(fā)4D打印技術。

受到植物在受到外界刺激時會隨著時間而改變其形狀的啟發(fā)，研究團隊開發(fā)出一種特殊的水凝膠復合配方，一旦淹沒在水中就會生成可以預測的形狀。這一研究的資深作者Jennifer A. Lewis暗示：“這項研究代表了我們在可編程材料組裝方面的可喜進展，這是通過多學科的方法實現(xiàn)的。我們現(xiàn)在已經(jīng)超出了整合形式和功能以創(chuàng)建可轉換的架構。”

該研究報告的共同作者是A. Sydney Gladman，他是由Lewis指導的研究生研究助理，專門研究聚合物和復合材料的打??；以及Elisabetta Matsumoto，她是由Mahadevan指導的博士后研究員，其專門研究凝聚態(tài)物質和材料物理。

在這項研究中，科學家們使用水凝膠復合材料包裹取自木材的纖維素纖維。他們使用3D打印的方式細致對齊和放置萃取的水凝膠復合油墨，得益于一種專有的材料預測模型，輸出材料隨著時間膨脹和硬化的順序可以“預編程”進設計中。

毫無疑問，這種能夠精確預測物品如何會在受到外部刺激（包括濕度和溫度）時如何反應的技術在智能紡織品、軟電子部件、生物醫(yī)學設備和組織工程方面意義重大。

為了進一步展示這項技術，他們制作了兩個形狀像花的對象，這兩個對象一開始看起來完全一樣，但是一旦接觸到水后就會演變成完全不同的形狀。下面的一個類蘭花形狀的形成過程（凝膠中加入了熒光劑）就是4D打印的一個很好的例子。

據(jù)了解，就像我們看到的普通3D打印機那樣，研究團隊使用打印頭擠出復合油墨，一次一層，釋放之后會快速凝固。此外，與傳統(tǒng)的3D打印技術類似，它的復雜性完全主要體現(xiàn)在軟件這邊。Matsumoto指出“我們的數(shù)學模型規(guī)定了為了實現(xiàn)預定形狀轉化反應所需要的打印路徑。使用完全可調諧和可編程的方法，我們可以控制曲率的離散和連續(xù)程度。

尤其是，數(shù)學建模解決了“反問題（inverse problem）”，這是為實現(xiàn)制定目標形狀，預測選用什么樣的打印刀具路徑以編碼其膨脹行為所必須解決的挑戰(zhàn)。

“我們很高興能夠在工程結構中設計和實現(xiàn)一些大自然中才有的解決方案。”Mahadevan說。他研究了植物中各種卷曲現(xiàn)象，比如花如何綻放，和松果如何打開和關閉等。“通過解決反問題，我們現(xiàn)在能對其進行反向工程，并確定如何變化其局部不均勻性，比如這些打印的油墨線條之間的間距和各向異性等，以控制這些變形對象的時空反應。

除了在上面視頻中展示的材料之外，該數(shù)學模型也可以應用于其它材料。Gladman說：“我們可以互換不同的材料，以調整其電導率或生物相容性等屬性。”

這項研究得到了美國軍隊研究辦公室（ARO）和美國全國科學基金會（NSF）下屬的材料研究科學與工程中心（MRSEC）的部分資助。