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这篇综述系统阐述了4D打印技术在纺织品领域的原理与应用，重点探讨了将刺激响应型智能材料（如形状记忆聚合物）直接打印到被动纺织品基底上（4D printing on textiles）的策略。文章回顾了增材制造（AM）技术、关键材料（如PLA、TPU）、外部刺激（温度、湿度、光、磁场等）及其相互作用机制，并概述了其在软体机器人、汽车、医疗健康和纺织品设计等领域的创新应用，同时指出了当前从实验室原型走向工业化所面临的挑战与未来机遇。
4D打印在纺织品上的基础与应用
这篇综述深入探讨了4D打印技术与纺织品相结合的前沿领域，特别是将刺激响应型智能材料直接打印到现有纺织品基底上的策略。这项技术为纺织品赋予了动态变化的能力，使其能够响应外部刺激而改变形状或特性，从而开创了智能自适应纺织品系统的新纪元。
摘要
4D打印代表了增材制造技术的最新演进，它在三维打印的基础上引入了时间作为第四维度。其核心在于利用智能材料，使打印出的结构能够在特定外部刺激（如热、湿度、光、pH值或磁场）下，随时间发生可编程的形状、属性或功能变化。这篇综述旨在梳理4D打印在纺织品上应用的基础原理，并评估其在医疗、汽车、软体机器人和时尚等领域的新兴应用，同时识别出实现规模化工业生产所必须应对的挑战与机遇。
1. 引言
3D打印，又称增材制造（AM），自20世纪80年代诞生以来，已广泛应用于多个工业领域。4D打印的概念则由麻省理工学院的Skylar Tibbits教授于2013年首次提出，它使3D打印的物体具备了动态响应能力。在智能纺织品领域，主要有两种技术路径：一是“4D打印纺织品”，即整个纺织品结构均由4D可打印材料制造；二是“在纺织品上进行4D打印”，这也是本综述的重点，指的是将刺激响应材料沉积到现有的机织、针织或无纺布等被动纺织品基底上。后者能更好地保留纺织品固有的柔软性、舒适度和悬垂性，同时实现局部功能化，具有成本较低的优势。然而，其成功关键取决于打印聚合物与纺织品基底之间的粘附性以及打印图案的设计。
2. 4D打印的基础
4D打印的实现依赖于五个关键要素：增材制造技术、智能材料、外部刺激、相互作用机制和建模。
2.1. 增材制造技术
4D打印基于现有的3D打印技术，如熔融沉积建模（FDM）、立体光刻（SLA）和选择性激光烧结（SLS）等。其中，FDM技术因其成本低、材料选择灵活而成为在纺织品上进行打印最常用的技术。
2.2. 材料
用于4D打印的材料通常被称为智能材料或形状记忆材料（SMM）。它们能够对外部刺激做出响应，表现出形状记忆、自愈合等行为。聚乳酸（PLA）是FDM打印中常用的热致形状记忆聚合物，其玻璃化转变温度（Tg）附近的链段运动是实现形状变化的关键。其他材料如热塑性聚氨酯（TPU）、液晶弹性体（LCE）以及各种复合材料也被广泛研究，以赋予纺织品导电、传感等功能。
2.3. 外部刺激
外部刺激是触发4D打印结构变化的能量来源。主要包括：
- •
热刺激：最常见的刺激方式，通过加热至材料Tg或熔点（Tm）以上引发形状恢复。
- •
湿度/水刺激：利用材料吸水膨胀或水解等特性引发形变，生物相容性好。
- •
光刺激：利用特定波长（如紫外光UV、可见光VIS、红外光IR）触发材料内部的化学或热响应。
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磁场/电场刺激：通过掺入磁性颗粒或导电填料（如碳纳米管、石墨烯），使材料能响应磁场或通过焦耳热效应响应电场。
2.4. 相互作用与建模机制
4D打印的形变行为遵循一定的物理定律，主要源于活性材料与被动材料之间的相对膨胀/收缩。对于热致形状记忆聚合物，其形状记忆效应通常通过一个热机械循环来实现：
- 1.
编程：在高于转变温度（Ttrans）下对材料进行变形，然后冷却固定临时形状。
- 2.
恢复：再次加热至Ttrans以上，材料恢复其原始永久形状。
通过固定率（Rf）和恢复率（Rr）等参数可以量化形状记忆性能。数学模型和计算模拟对于预测和设计复杂的形状变化至关重要。
3. 智能纺织品
智能纺织品，或称电子纺织品（e-textiles），是能够感知环境并做出响应的织物。它们可以根据功能分为感知型（如传感）、能量型（如能量采集与存储）、热管理型以及显示与计算型纺织品。通过将功能性材料在纤维、纱线或织物阶段进行整合，智能纺织品实现了从被动保护到主动交互的飞跃。多功能纤维的开发是当前的研究热点，它通过添加各种填料（如导电颗粒、纳米材料）来赋予纺织品额外的导电、传感或驱动能力。
4. 4D打印在纺织品上的应用
4.1. 软体机器人
在纺织品上打印刺激响应材料（如LCE纤维）可以制造出柔软、可逆驱动的执行器。这些执行器能够编织、缝合或针织成智能纺织品，用于制造仿生抓取器、可变形结构等，在软体机器人领域展现出巨大潜力，但其操纵性和耐久性仍是需要进一步研究的挑战。
4.2. 汽车领域
4D打印技术为汽车内饰带来了创新可能。例如，集成打印加热元件的智能座椅可以提升舒适性；打印在方向盘或头枕上的触摸传感纺织品可以实现非视觉的人机交互，控制媒体播放器、空调等。这些应用旨在提升驾驶安全和乘客体验，但目前多处于原型阶段，尚未大规模商用。
4.3. 医疗应用
4D打印在医疗领域的应用前景广阔。例如，打印有传感功能的智能手套可以辅助手部功能受限的患者进行康复训练；打印在织物上的导电聚合物电极可用于持续监测心电图（ECG）等生理信号，为可穿戴健康监测设备提供了舒适、灵活的解决方案。智能纺织品有望在远程医疗和个性化健康管理中发挥重要作用。
4.4. 纺织品设计
4D打印为纺织品设计带来了革命性变化，实现了从静态美学到动态功能的跨越。设计师可以利用形状变化特性创造出自适应服装、交互式时尚单品。例如，将太阳能电池板与3D打印结构结合在服装上，可以开发出能量采集纺织品。此外，在运动服饰中集成打印传感器，可以实时监测运动员的肌肉活动、心率等数据。
4.5. 混合纺织品
这是一种重要的技术策略，通过在预拉伸的纺织品基底上打印刚性或半刚性聚合物（如PLA、TPU），在释放预张力后，由于基底收缩与打印图案之间的应力相互作用， flat的二维结构会自发地转变为复杂的三维形状（如穹顶或鞍形）。这种混合结构为创建具有定制化机械性能和形状变化能力的智能纺织品提供了强大工具。打印材料与纺织品基底之间的粘附性是决定其性能的关键，受到材料性质、打印参数和织物表面特性的共同影响。
5. 展望
尽管4D打印在纺织品上的应用研究取得了显著进展，但大多数成果仍处于实验室原型阶段（技术成熟度TRL较低），距离大规模商业化还有距离。面临的挑战包括多材料打印技术的限制、长期耐久性、舒适性与功能的平衡、成本以及标准化问题。未来的发展需要跨学科合作，结合新材料开发、先进制造工艺和精准建模，以推动4D打印纺织品从概念验证走向实际应用。特别是在个性化医疗、可持续能源和自适应系统等领域，4D打印纺织品蕴含着巨大的潜力。
6. 结论
4D打印技术与纺织品的结合，正开启智能自适应材料的新篇章。通过将刺激响应聚合物打印到纺织品上，我们能够创造出能够感知环境并动态响应的智能系统。从软体机器人到可穿戴医疗设备，从智能汽车内饰到交互式时尚，这项技术的应用范围正在不断扩大。虽然目前仍面临诸多技术和产业化挑战，但随着材料科学、制造技术和设计方法的不断进步，4D打印纺织品有望在未来彻底改变我们与纺织品互动的方式，为多个行业带来颠覆性的创新。
