zhiyongz 2025年3月7日，美国专利商标局(USPTO) 公布了总部位于纽约的 IT 跨国公司国际商业机器公司(IBM) 的一项新专利。专利文件最初于 2023 年 8 月提交 (美国专利号 20250073998) 概述了一种使用 4D 打印智能材料运输微粒的新方法。根据 IBM 的文件，这些 4D 打印物质会响应热、光、磁场或电等外部刺激而移动。因此，可以对它们进行配置和操作，以将微粒（直径 1-100µm）从起点传送到难以到达的小区域内的目标位置。
这家美国科技巨头的方法使用计算机程序来监控智能材料的运动。如果 4D 物体偏离了预定路径，机器学习模型就会调整输入，让微粒保持在正轨上。IBM 强调药物输送、细胞微载体、微型电子组装和微制造是潜在应用。
IBM 的 AI 工程师 Tushar Agrawal 和应用架构师 Sarbajit K. Rakshit
帮助发明了新的 4D 打印方法，他们拥有丰富的增材制造经验。Agrawal 为 180 多项专利申请做出了贡献，其中包括一项使用可分解材料
3D 打印物体并监测其随时间分解的提案。Rakshit 在 IBM 拥有近 20年的经验，他是该公司于 2017 年提交的全息图 3D
打印专利的幕后推手。
△用激光全息图 3D 打印回形针。图片来自 DAQRI
前 IBM 软件开发人员 VinodA. Valecha
也属于专利发明人之一。他目前就职于圣何塞科技公司Cohesity，之前曾为 IBM 的可折叠构建板连续 3D 打印专利做出过贡献。Valecha
还与他人共同发明了一种“并行化增材制造”工艺，可在多台 3D 打印机上同时制造解构部件。IBM 的“大师级发明家”Su Liu 也在新发布的
4D 打印专利中榜上有名。
△IBM 徽标。照片来自 IBM。
IBM 的新 4D 打印专利
IBM 的 4D 打印流程始于计算机程序收到用户请求，要求将微粒从起始位置沿特定路径运送到目标位置。每个请求都包括微粒大小、形状、重量和材料成分等关键特征。还必须指定运送路径和环境条件，小规模智能打印材料能够穿过工业环境、肠道和动脉等介质。
IBM 的程序会分析请求并使用 ML 模型来设计一个针对微粒输送进行了优化的 4D 可打印物体。这些物体中可以使用的智能材料包括形状记忆合金和形状记忆聚合物。这两种材料在加热或变形后都可以恢复到原来的形状。
如果微粒足够小，它们可以直接附着在可移动的 4D 物体表面上。然而，对于更大更重的微结构，IBM 建议使用刚性的 3D 打印容器。这些容器固定在智能材料上，并在运输过程中容纳微塑料。
一旦触发，IBM 的程序就会施加外部刺激来激活 4D 物体。智能材料通过变形并产生使物体运动的力量来做出反应。例如，热量会导致形状记忆材料弯曲或折叠，而光会触发光响应材料的运动。磁场也可用于吸引或排斥 4D 物体，引导物体朝特定方向运动。
IBM 的专利流程使用 ML 模型持续监控 4D 打印物体沿传送路径移动的情况。如果检测到任何偏差或阻塞，算法会立即分析问题并调整刺激以纠正移动。一旦到达目标位置，IBM 的程序就会移除外部输入，停止移动并传送微粒。
据这家硅谷科技巨头称，新公布的专利为多种高价值应用提供了巨大潜力。例如，它可以通过将药物输送到身体各处的特定器官或组织，为靶向药物输送提供一种精确的方法。在电子领域，IBM
的创新工艺可用于以极高的精度组装微型电子元件。智能材料还可以在传统制造机器和机器人无法到达的狭小空间内移动微粒，为微加工提供价值。
△流程图代表了 IBM 的新型 4D 打印方法。图片来自美国专利商标局。
4D 打印：增材制造的新维度
4D打印绝不是一个新概念。早在2021年，中国天津大学的研究人员就开发了一种能够移动的
4D打印软机器人。管状装置由液晶弹性体制成，受热后可自行组装。装置设计旨在利用折叠图案在结构内产生应变，使其能够滚动并穿过平坦表面。这款 4D
打印机器人还展示了爬上 20° 斜坡和拖动自身重量 40 倍的负载的能力。
△3D 打印和加热软体机器人。图片来自天津大学。
一支由德国、埃及和阿联酋研究人员组成的团队还开发了一种新方法，可以制作具有记忆功能的4D打印牙齿矫正器。牙齿矫正器采用
Kline Europe 的透明 ClearX 树脂进行 DLP
打印，插入用户口中后会变软。这使得矫正器能够适应、抓握和重新定位错位的牙齿。研究人员展示了一种可以随时间可预测地改变矫正器属性的能力，成为了一次性牙科产品的可持续替代品。
此外，贝尔法斯特女王大学的团队开发了个性化的4D 打印乳房植入物，用于管理和治疗癌症。据研究人员称，这是 4D 打印首次用于生产乳腺癌植入物。
利用这一工艺，北爱尔兰的科学家制作出多功能乳房植入物，这些植入物可以编程改变尺寸，以更好地适应患者的组织腔。据报道，这可以实现更大的个性化和更好的美学效果。4D 打印植入物还可以编程在需要的地方释放化疗药物，防止癌细胞复发。