新春走基层丨4D打印实验室里的“变形金刚”是怎样炼成的？

央广网北京2月10日消息（总台中国之声记者韩雪莹 江晓晨）据中央广播电视总台中国之声《新闻纵横》报道，提起3D打印技术，相信很多人都不陌生。3D打印机已经进入寻常百姓家，以实实在在的金属、陶瓷、塑料、砂等不同原材料为“墨水”，在电脑控制下把这些打印材料层层叠加，最终将计算机上的蓝图变成实物。

3D打印就是极限了吗？如果再赋予其新的维度，4D打印又可能带来哪些颠覆性变革？北京交通大学Rheobot（流变机器人）团队将天马行空的想象落地生花，他们利用自主研发的新型磁控触变材料和全球首台4D打印机，打造出了“会自主变形”的黑科技。中国之声特别报道《新春走基层》本期走进4D打印实验室，揭秘这里的“变形金刚”是怎样炼成的。

学期结束，实验不止。在北京交通大学Rheobot实验室，机械与电子控制工程学院副教授、90后青年科学家李振坤正和同学们一起，用一台桌面级4D打印机探索流变机器人的更多可能性。精密的喷头遵循编程设定，向外喷射出灰褐色物质，几分钟内，一个简易的流变机器人打印完成。Rheobot团队成员、北京交通大学硕士研究生徐海天拿起这块约两根手指大小的结构，验证其是否能按预期运动、变形。

徐海天介绍：“它是一种非接触式的控制，很适合一些极端的环境，像对狭窄空间的探索、运动，再前沿一点的方向，它甚至可以到人体里面。”

正在实验中的4D打印机（记者韩雪莹 摄）

虽有物理阻隔，靠徐海天依托磁场的“隔空”控制，这个流变机器人依然像翅膀一样伸展、折叠。全球第一款流变机器人就诞生在这个实验室。Rheobot，正是“流变机器人”的英文，这一概念是2023年李振坤根据自主研发的磁控流变记忆材料在全世界首次提出的。

李振坤表示：“我们在普通的材料里加入了纳米磁性功能颗粒、还有一些其他成分，让这个材料将来可以动态地进行响应。比如我们做人形机器人的面部皮肤，它可以实时和人去交互、生成表情。我们要在微观上给材料构造，让它具有自我组装的功能，组装成我们想要的结构；有了这样的结构之后，它在宏观上会表现出我们想要的特性。”

4D打印制作的流变机器人概念图（央广网发 受访者供图）

这样的创新，如同给混凝土掺入微小钢筋，通过施加磁场使其进一步定向排列，从而彻底改变了材料性能。有了如此智能的材料，再配以编程设计，4D打印的“密码”得以破解，进而能实现对物体变形过程的精准控制，甚至能切换坚硬或柔软等不同状态，让其适应更复杂的场景。举个例子，如果想4D打印一朵花，设定“遇湿开花”，那么它就能在雨天自动绽放。

李振坤介绍：“3D打印出来的是一个静态、没有功能的结构，我们要想将它做成一个机器，要把多个零件组装起来，用电机让它动起来。4D打印比3D打印多了什么？有人说多了一个时间的维度，也对、也不对。对的角度是，将来我们去考察一个4D打印的结构，我们是让它动起来的，这就是在一个时空当中了；但即使我们不让它动，它也已经比3D打印多了微观结构可以被编程的维度。4D打印不需要那么复杂，我们把功能直接写在它的结构里，让它真正能够做到功能和结构一体化。实际上它是一个强仿生，不仅仅是从形态上仿生，还是从功能上仿生，比如生物在什么地方有肌肉，那我们就在什么地方给它打上像肌肉功能一样的结构。”

李振坤用4D打印出的智能软体夹持系统进行柔性抓取（央广网发 受访者供图）

李振坤揭秘，4D打印过程中，材料被充上磁场，形成最小的磁性单元，在一系列磁场智能响应下，实现对自身状态的感知和调控，仿佛“变形金刚”。在李振坤的计划中，磁控4D打印技术或将最先应用到低空经济等新兴产业。李振坤拿实验室里一款4D打印出来的飞机蒙皮装置举例，这是一个包围飞机骨架、形成气动外形的维形构件。

李振坤表示，蒙皮有几个作用，一个是减少阻力，另一个是调节飞机的飞行状态，让它更适应气流。它本身是静态，可能会有一些被动变形。随着低空经济需求的进一步发展，现在对蒙皮提出了更高要求，它能不能主动改变形状？如果飞行器有了这样的功能，可以大大增加飞行稳定性，也可以减少阻力、降低油耗。现在的变形蒙皮实际上是在皮下面做了一些机械结构，带动了皮去发生变化。而我们通过4D打印，在机翼的主体结构里埋入了一些线圈，通过给线圈通电，让它主动运动，产生周期性的变化。

4D打印出的蒙皮（记者江晓晨 摄）

在材料上做文章，4D打印的前景将更宽广。李振坤在和人形机器人工程师交流时发现，以塑代钢是产业发展的新路径，4D打印技术能否革新塑料的性能？

“底层逻辑是一样的，就是在打印材料挤出的时候对它同时进行充磁。人形机器人翻跟头、行走，都需要很高的材料强度。我们就提出了开发一种新的材料以及新的打印方式，用普通塑料可以打出特种塑料的强度，并且成本没有很大增加。人形机器人用了这样的材料，重量会降低，跟人交互的安全性会提高，另外还能提高续航。”李振坤说。

实验室里4D打印出的不同材料的构件（记者江晓晨 摄）

在Rheobot实验室，一个又一个材料被青年学者们注入“生命力”。实际上，4D打印概念早在多年前就被美国麻省理工学院最先提出，李振坤于2018年首次读到4D打印方法的论文时尚未博士毕业。彼时，他欣喜地找到导师、磁性液体专家李德才教授，希望借他山之石再寻创新。

李振坤表示：“最开始的时候跟着国外的工艺走，我发现有一个问题，工艺过于复杂了，当时我就想到能不能在打印机里把充磁和磁畴编程两件事放在一起，也就是一体化工艺。这项技术由我们开发出来、发表论文之后，又被麻省理工学院自己的科技媒体报道了。”

Mag 4D系列打印机（央广网发 受访者供图）

2024年，承载着一体化工艺的全球首台桌面级4D打印机Mag 4D Printer问世，并入选中关村论坛常设展。李振坤始终坚持，再尖端的技术，如果只停留在论文里就失去了意义，科技最终要真正改变生活。4D打印技术从实验室走向市场，李振坤也从青年科学家化身科普达人，让硬核科技变得可触可感。

李振坤介绍：“打印机在2025年全国科普月的中国科技馆主场展示，被很多观众体验。我们和科技馆的馆长一起提出了一个理念，能不能把实验室原位地搬到科技馆？我们让科技馆的孩子当场体验到实验室的研究过程，通过这个体验他了解了包括材料学、智能制造，还有机器人相关的知识，这也是我们做这件事的初衷。”

李振坤在做科普宣讲（央广网发 受访者供图）

4D打印机在各地科技馆巡展，Rheobot实验室也会不时收到科技馆寄到学校的感谢信和新年祝福，这让大家倍感惊喜。振奋之余，在过去一年科研收获颇丰的徐海天一直记得导师的叮嘱——要静下心来，春节前后正是科研人查缺补漏的好时机。

徐海天表示：“春节之前的这段时间是非常宝贵的，我们可以尽量完成一些只能在学校完成的事情，包括用一些只有实验室里才有的仪器和设备，尽可能多测一些数据、记录一些实验现象，等到回家的时候，就可以把这些已经收集到的数据和现象优化成文章，这也是对实验思路、下一步实验计划做一个具体总结，假期是一个非常好的沉淀过程。”

徐海天（前排）和同学们一起做实验（记者韩雪莹 摄）

年味儿传到了实验室，李振坤和同学们一起，在实验室门上贴下一副科研人专属对联——“发文章逢投必中”“做实验一气呵成”，横批“科研顺利”。尽管4D打印技术目前尚在概念验证阶段，李振坤期待，它的普及一定会在不远的一天到来，并为我们创造更加便捷、智能、美好的未来。

李振坤表示：“等我们把这项技术做得再成熟，将来也希望这款机器就像现在的3D打印机一样走进千家万户，让每一个爱动手的孩子都可以制作自己想要的4D打印的结构，就像有了生命一样。”