智能材料4D打印技術賦能雕塑藝術創作

文/ 楊蘇妮、苗祥瑞 by Yang Suni,Miao Xiangrui（西南大學、西安交通大學）

一、4D打印技術的發展歷程

1.3D打印技術的出現

3D打印也被稱為增材制造技術，發端于20世紀80年代后期，被譽為“第三次工業革命”的核心技術。3D打印技術具有快速成型任意復雜、個性化產品的能力，目前在工業界得到了廣泛應用。在藝術領域，3D打印技術使雕塑藝術創作的可提前預知性成為可能，同時使雕塑藝術創作尤其是寫實雕塑創作變得更加簡單、快捷、準確，可以說3D打印技術從材料、工藝、認知等多維度賦予了雕塑藝術新的表現語言。3D打印技術在雕塑藝術創作中的應用已有較多文獻論述，近年來興起的智能材料4D打印技術在雕塑藝術創作領域及其對雕塑藝術的沖擊、影響和目前潛在的問題還有待學者探究。

2.4D打印技術應運而生

2013年2月26日，在美國加利福尼亞州舉行的TED2013會議上，來自麻省理工學院的S.Tibbits等研究者將3D打印的水凝膠線狀材料置于水中，隨著時間的推移，材料在形狀上發生改變，就此，4D打印概念應運而生①，引起了學術界和工業界的廣泛關注。

4D打印是在3D打印技術的基礎上增加了時間維度，是3D打印和智能材料結合產生的一種新的制造技術。4D打印的產品或結構的形狀、功能、性能、質地、色彩等在外部環境刺激（如光、電、熱、PH、磁場等）下會隨著時間的推移而改變，相比于3D打印結構具有自組裝、自適應、自變形、自感知等特性②。4D打印與3D打印技術大致相同，只是在材料、工藝上有所區別。迄今，4D打印技術利用的材料主要有形狀記憶高分子、形狀記憶合金、液晶彈性體和水凝膠等智能材料③。例如：哈佛大學的Lewis等采用4D打印技術創造了水凝膠“花瓣”作品④（圖1）所示，在溶劑作用下該作品材料各向異性膨脹，內部力學失配發生變形，作品可以“逼真”地再現花瓣的動態變化；新加坡科技設計大學Ding等學者采用形狀記憶聚合物4D打印技術打印了“花朵”作品⑤（圖2A），在外部光（或熱）刺激作用下，打印的“花朵”可以在開放和閉合之間循環切換，仿佛一朵有“生命”的花；中國科學技術大學的Cao等學者采用彈性材料與磁性顆粒結合4D打印制作了一只蝴蝶形狀的作品⑥，通過控制電磁鐵產生變換磁場，作品展現“翩翩起舞”姿態（圖2B）。利用智能材料4D打印技術的獨特特性進行創作，可以讓藝術家突破技術、材質等的限制，充分發揮想象，自如地創造出極具個性的雕塑藝術作品。同時，4D打印的雕塑作品擁有動態、智能、多變和獨特個性的新型藝術表現形式，可稱之為“智能雕塑”。相比于3D打印，4D打印的“智能雕塑”不呆板、不僵硬，富有生命、情感和靈氣，展現出前所未有的雕塑語言魅力和表現形式。目前4D打印在雕塑藝術創作中的應用已經引起了國內外藝術家的關注和注意⑦，藝術家們稱之為藝術的新“生命力”或者藝術材料的“智能覺醒”。那么，4D打印如何賦能雕塑藝術創作？

圖1 4D打印水凝膠“花瓣”作品隨時間推移形態演化

圖2 4D打印技術創作的作品：（A）盛開的花和（B）起舞的蝴蝶

二、4D打印技術賦能雕塑藝術創作

1.拓展創作方法

目前智能材料4D打印技術已經被應用在藝術創作領域。如美國Nervous System Studio早在2014年就打印了世界上首件“智能裙”作品，這是一件由三角形和連接點組成的布料纖維裙，它可以根據穿戴者的體形進行自我塑型，同時還能夠自適應環境變化，使之完美地貼合穿戴者的身體；巴西藝術家G.Requena采用傳感器捕捉人的情緒，并將其轉為數字模型，最后利用智能材料4D打印技術創作了首件帶有人類愛之情感的藝術品⑦。4D打印技術的發展拓展了藝術家的創作手段，使現代雕塑藝術創作擺脫了傳統雕塑創作方式的束縛，藝術家們可以利用跨學科的創新方法或創作技法進行創作，從傳統雕塑繁瑣的制作模式中解放出來，把繁雜的實現過程交給科技（如4D打?。?，讓藝術家將更多的時間投入到思考藝術創作上。傳統的雕塑材料通常是黃土、油泥、石頭、木頭等材料，這些材料在創作時需要藝術家大量的體力和精力投入，而4D打印技術則將這一過程交給了計算機和機械設備，無需投入大量的體力。此外，4D打印技術還可以縮短雕塑作品制作的時間和實現作品效果的預先研判，藝術家可以利用4D打印快速成型的特性，快速制作出作品，實際感受作品的表達效果，以便后續進一步改進。作為21世紀的藝術創作者，需要創新發展符合時代發展的藝術道路，僅靠精湛的泥塑能力是不夠的，還需要跟隨時代發展，掌握新的技術和技能，并將其應用到作品創作中來。藝術家也可以將4D打印技術與傳統泥塑手段結合，充分發揮4D打印在時間維度的技術特性。

2.豐富雕塑語言

雕塑藝術作為一種創作方式多元化的藝術，可以利用4D打印技術在藝術作品中實現作品的動態化展示，賦予作品新的功能、特性、形式等屬性，從而增添作品的趣味性和吸引力。在利用4D打印技術進行創作時，相較于藝術家使用各種傳統泥塑工具，創作者需要轉變創作思路，根據4D打印的技術特性進行藝術創作，并充分發揮打印技術特點（自變形、自組裝、自適應等）在雕塑藝術創作中的優勢，創作出更多傳統泥塑手法無法得到的作品，展現出新技術在藝術創作領域的獨特魅力。比如采用不同的打印材料（如高分子聚合物、水凝膠、記憶材料）和刺激形式可以帶來不同的表達效果；采用不同的打印工藝可以獲得不同的紋理、結構特征等。新西蘭藝術家Nicole Hone采用水凝膠材料4D打印技術，充分利用水凝膠材質特性，創作了未來水生植物系列作品《Hydrophytes》，（圖3）所示，該作品將植物纖細的紋理結構、柔軟透明的質地展現得淋漓盡致，同時作品具有生命的動態特性。然而在傳統泥塑中因為材料不具柔韌、透明等特質，很難達到真實植物葉片的效果，而采用4D打印技術效果更勝一籌。此外，4D打印技術可以將數字雕塑和互動媒體裝置等結合起來表現復雜或抽象的藝術作品，可以將過去“死”的雕塑轉變為“活”的智能雕塑。

圖3 Nicole Hone的未來水生植物系列作品《Hydrophytes》

采用何種表現形式更好地表達藝術作品是創作的關鍵，即使是同一件作品，運用不同的制作技術、不同的材料等呈現的藝術作品形式、藝術作品價值不盡相同。4D打印材料的物理形態、化學性能等方面的千差萬別，使雕塑材料、雕塑語言、藝術精神、表現手法得到了豐富，尤其是在裝飾雕塑和抽象雕塑方面，4D打印技術能夠突破傳統創作的限制，賦予雕塑藝術全新的充滿時代特征的生命力，從而孕育出新的雕塑語言、雕塑形式。

三、4D打印技術在雕塑創作中面臨的問題

4D打印雕塑的核心是將傳統雕塑作品數字化、動態化、智能化，它可以幫助解決傳統雕塑模具翻制等煩瑣的問題，它可以使傳統僵硬的雕塑變得靈動、智能、有生命力，呈現與科技相結合的藝術美。但目前4D打印技術的研究正處于發展階段，技術工藝成熟度有待進一步提高⑧，4D打印用的智能材料也比較少且昂貴。目前主流使用的材料有形狀記憶高分子、形狀記憶合金和水凝膠等智能材料，這些材料配方比較復雜，這也意味著藝術家們需要具備更高的科技水平和技術能力，才能夠將智能材料4D打印技術應用于雕塑藝術創作中。另外，4D打印技術必須依賴外界刺激源，目前廣泛使用的刺激源有光、熱、電、磁、PH、水、溶劑等，這些刺激形式必然會影響雕塑藝術的展示，這需要藝術家們具備更高的創造性和想象力，才能夠充分發揮智能材料4D打印技術的潛力，創造出更加復雜和多樣化的作品。此外，常用的4D打印用形狀記憶類材料記憶的形狀相對比較簡單且變形時間短暫，難以實現非常復雜的形狀創作，對于實現“隨心所欲”的藝術創作還有一定的難度，亟需通過藝術、材料、機械、制造等多學科的交叉融合來進行攻克。當下，科學與藝術之間還存在嚴重的壁壘，科學家和藝術家在思維上存在較大差異，這一差異也是4D打印技術在藝術發展中面臨的問題。

四、結語

4D打印獨特的技術特性，在創作理念、創作思維、表現形式上對雕塑藝術創作產生著較大的影響。4D打印將會催生雕塑創作的新范式（智能化、多元化、多樣化），并豐富雕塑表現形式與雕塑語言，推動傳統雕塑的發展。同時，雕塑藝術也將拓展4D打印技術的應用空間，二者相互促進。誠然，目前4D打印技術仍處于蓬勃發展階段，打印材料、工藝和刺激方式都不成熟。隨著新技術的不斷創新研究，未來4D打印技術將會影響雕塑藝術創作的形式和表現手法。作為藝術創作者應當敏銳洞察新技術帶來的革命性進步，看到新技術為藝術創作發展帶來的新方向，在傳統雕塑創作的基礎上嘗試新的表現語言，為雕塑藝術創作帶來新的探索。

注釋：

①S.Tibbits.4D printing: multi-material shape change[J].Archit.Design,2014,84(1),116-121.

② F.Momeni,M.M.H.N.Seyed,X.Liu,et al.A review of 4D printing[J].Mater.&Des.,2017,122,42-79.

③趙先鋒,湯朋飛,史紅艷等.4D打印技術研究與應用進展[J].華南理工大學學報(自然科學版),2021,49(03),34-46+54.

④ A.S.Gladman,E.A.Matsumoto,R.G.Nuzzo,et al.Biomimetic 4D printing[J].Nat.Mater.,2016,15(4),413-418.

⑤ Z.Ding,C.Yuan,X.Peng,et al.Direct 4D printing via active composite materials[J].Sci.Adv.,2017,3(4),e1602890.

⑥ X.Cao,S.Xuan,S.Sun,et al.3D printing magnetic actuators for biomimetic applications[J].ACS Appl.Mater.Interfaces,2021,13(25),30127-30136.

⑦ 譚力勤.4D打印藝術中的智能覺醒[J].畫刊,2019(11),78-82.

⑧ X.Kuang,D.J.Roach,J.Wu,et al.Advances in 4D printing: materials and applications[J].Adv.Funct.Mater.,2019,29(2),1805290.