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

受到植物在受到外界刺激時會(hui) 隨著時間而改變其形狀的啟發，研究團隊開發出一種特殊的水凝膠複合配方，一旦淹沒在水中就會(hui) 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(men) 在可編程材料組裝方麵的可喜進展，這是通過多學科的方法實現的。我們(men) 現在已經超出了整合形式和功能以創建可轉換的架構。”

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(zhuan) 門研究聚合物和複合材料的打印；以及Elisabetta Matsumoto，她是由Mahadevan指導的博士後研究員，其專(zhuan) 門研究凝聚態物質和材料物理。

在這項研究中，科學家們(men) 使用水凝膠複合材料包裹取自木材的纖維素纖維。他們(men) 使用3D打印的方式細致對齊和放置萃取的水凝膠複合油墨，得益於(yu) 一種專(zhuan) 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(hui) 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、生物醫學設備和組織工程方麵意義(yi) 重大。

為(wei) 了進一步展示這項技術，他們(men) 製作了兩(liang) 個(ge) 形狀像花的對象，這兩(liang) 個(ge) 對象一開始看起來完全一樣，但是一旦接觸到水後就會(hui) 演變成完全不同的形狀。下麵的一個(ge) 類蘭(lan) 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(ge) 很好的例子。

據了解，就像我們(men) 看到的普通3D打印機那樣，研究團隊使用打印頭擠出複合油墨，一次一層，釋放之後會(hui) 快速凝固。此外，與(yu) 傳(chuan) 統的3D打印技術類似，它的複雜性完全主要體(ti) 現在軟件這邊。Matsumoto指出“我們(men) 的數學模型規定了為(wei) 了實現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(men) 可以控製曲率的離散和連續程度。

尤其是，數學建模解決(jue) 了“反問題（inverse problem）”，這是為(wei) 實現製定目標形狀，預測選用什麽(me) 樣的打印刀具路徑以編碼其膨脹行為(wei) 所必須解決(jue) 的挑戰。

“我們(men) 很高興(xing) 能夠在工程結構中設計和實現一些大自然中才有的解決(jue) 方案。”Mahadevan說。他研究了植物中各種卷曲現象，比如花如何綻放，和鬆果如何打開和關(guan) 閉等。“通過解決(jue) 反問題，我們(men) 現在能對其進行反向工程，並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，以控製這些變形對象的時空反應。

除了在上麵視頻中展示的材料之外，該數學模型也可以應用於(yu) 其它材料。Gladman說：“我們(men) 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(jun) 隊研究辦公室（ARO）和美國全國科學基金會(hui) （NSF）下屬的材料研究科學與(yu) 工程中心（MRSEC）的部分資助。