Вообразите процесс создания детали, которая после изготовления претерпевает изменения. Воздействие температуры, влаги, света или иных внешних факторов приводит к её деформации – она может изгибаться, складываться, увеличиваться в объёме или приобретать определённую конфигурацию.

Суть идеи 4D-печати заключается именно в этом. Данная технология расширяет функциональные возможности 3D-печати, наделяя созданный объект способностью адаптироваться к окружающей среде и трансформироваться со временем.

Широкую популярность термин обрёл благодаря работам архитектора и эксперта в области компьютерных технологий Скайлера Тиббитса, представившего эту концепцию ещё в 2013 году. Спустя более чем десятилетие исследователи продолжают усовершенствовать материалы и методы печати, стремясь превратить задуманное в зрелую инженерную технологию.

Чем 4D-печать отличается от 3D

В процессе обычной 3D-печати физический объект формируется путём последовательного нанесения или отверждения материала согласно цифровому проекту. После завершения процесса его геометрическая форма, как правило, не меняется.

Технология 4D-печати базируется на принципах аддитивного производства, но создаваемые объекты обладают способностью изменять свою форму под воздействием внешних факторов.

В качестве триггеров для изменения формы могут выступать различные параметры: температура, уровень влажности, освещение, изменение pH среды, магнитные поля или электрический ток – выбор зависит от конкретной конструкции и состава используемого материала.

Специалисты задают заранее определенную реакцию материала и структуру объекта, что позволяет плоской или компактной детали трансформироваться под воздействием стимула, принимая при этом желаемую форму – например, согнуться, раскрутиться или изменить конфигурацию.

Следует отметить, что обозначение «четвёртое измерение» в данном случае не указывает на дополнительное пространственное измерение. В контексте рассматриваемого объекта речь идёт о времени, поскольку его характеристики или структура претерпевают изменения после создания.

Какие материалы используются

Важную роль в 4D-печати играют полимеры с памятью формы, которые способны возвращаться к заданной форме после воздействия определенного фактора, такого как повышение температуры.

Значимую группу составляют гидрогели — материалы, обладающие способностью поглощать воду и изменять свой объём, что открывает возможности для разработки конструкций, чувствительных к влажности или химическому составу окружающей среды.

В числе изучаемых учеными материалов также находятся жидкокристаллические эластомеры, полимеры с самовосстанавливающимися свойствами, а также композитные материалы, объединяющие в себе несколько различных характеристик.

Принципиально важно не только химический состав материала, но и способ его расположения в процессе печати. Если отдельные участки конструкции демонстрируют различную реакцию на воздействие стимула, например, при нагревании или увлажнении, объект может деформироваться или складываться по заранее определенной траектории.

Благодаря этому появляется возможность создавать не только материалы, способные изменять свою форму, но и конструкции, обладающие запрограммированными двигательными функциями.

Где может применяться 4D-печать

Медицина является одним из многообещающих направлений развития технологий. Ученые изучают возможность применения 4D-печати для изготовления конструкций, предназначенных для доставки медикаментов, восстановления тканей, создания диагностического оборудования и имплантатов, демонстрирующих реакцию на внутреннюю среду организма.

Данная технология вызывает интерес и в сфере мягкой робототехники. Вместо использования стандартных двигателей и сложных механических систем, отдельные компоненты робота могут потенциально изменять свою форму под воздействием температуры, влажности или электрического импульса.

В аэрокосмической индустрии 4D-печать может найти применение в производстве легких, раскладывающихся конструкций. Деталь можно вывести на околоземную орбиту в сжатом виде, а затем спровоцировать её развертывание в рабочую конфигурацию.

Помимо этого, исследователи изучают возможности применения технологии в электронике, «умной» одежде, автомобильной промышленности и строительстве. Во всех этих областях материалы, обладающие способностью к самостоятельной реакции на окружающую среду, смогут выполнять задачи, которые недоступны обычным, статичным конструкциям.

В чём причина отсутствия широкого распространения технологии?

Признавая стремительное развитие, следует отметить, что значительная часть работ в сфере 4D-печати по-прежнему ограничена лабораторными исследованиями и демонстрационными образцами.

Среди существующих трудностей выделяется необходимость точного контроля над процессом трансформации. Специалистам требуется аккуратное регулирование скорости изменения формы, определение её окончательной конфигурации и условий, запускающих реакцию.

Особое значение имеют такие характеристики, как долговечность и воспроизводимость результатов. Требуется, чтобы используемый материал сохранял свои первоначальные качества при многократных деформациях. Помимо этого, необходимо разработать методики крупносерийного производства подобных материалов и конструкций с обеспечением стабильности их параметров.

Оценка, опубликованнаяВ статье, опубликованной в 2025 году в журнале Chemical Reviews, также отмечались трудности, связанные с используемыми материалами, сложностью производственного процесса и потребностью в дальнейшем совершенствовании технологии для её внедрения в промышленное производство.

Таким образом, технология 4D-печати маловероятно полностью вытеснит 3D-печать. Вероятнее всего, эти подходы будут использоваться совместно, дополняя друг друга.

Технология 3D-печати предоставляет инженерам возможность точного определения расположения материала в процессе создания объекта. 4D-печать ставит перед ними дополнительную задачу: определить функциональность этого материала после завершения изготовления.

Смена парадигмы в производстве, заключающаяся в переходе от изготовления неподвижных элементов к созданию конструкций с возможностью самостоятельной адаптации к условиям внешней среды, потенциально может определить одно из перспективных русел развития технологии аддитивного производства.