可重构穿戴计算机软件论文

关键词： 无线网络 穿戴 计算机 技术

5G，不止于通信015G无人机如今很多人出门旅行已经不再纠结带单反还是微单，只要一台无人机就够了。今天小编给大家找来了《可重构穿戴计算机软件论文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。

可重构穿戴计算机软件论文 篇1：

可穿戴式计算机与无线网络技术要点分析

摘 要：可穿戴式计算机是一种新型计算机，能够通过无线网络技术，将使用者与计算机连接在一起，其技术要点包括了芯片技术、操作系统、传感器、人机交互、上下文感知计算技术以及无线自组网技术。在可穿戴式计算机中，运用的无线网络技术包括了WiFi，IRDA，RFID，ZigBee，UWB，GPS/北斗，蓝牙等不同技术，根据工作环境、使用要求、工作频率等不同需求，选择不同的技术组成可穿戴式设备，使该项技术广泛应用于各个领域。文章对可穿戴式计算机与无线网络技术要点进行了分析。

关键词：可穿戴式计算机；无线网络技术；技术要点

可穿戴技术是一种新型智能技术，广泛运用于很多智能设备中，它为配件与服装提供了计算能力与感知能力，能够在连接计算机、多媒体、无线传播、传感器等技术的基础上，通过可穿戴智能装备，穿戴到人身上，实现人机交互。而人们要真正运用可穿戴计算机技术为人类信息活动提供方便，必须解决一些技术要点问题。

1 可穿戴式计算机

可穿戴式计算机具有移动性、持续工作性、无线网络通信、低功耗、解放双手、与使用者融为一体、传感技术、多样性等特点[1]。可穿戴計算机是以人机合一为主要设计理念的一种个人移动计算机技术，有机结合了芯片、操作系统、传感器、显示技术、存储技术以及电池等各种技术，便于穿戴，用户访问更便利，在工业、国防、医疗、教育、科研等领域都有广泛应用。

2 可穿戴式计算机的技术要点

2.1 芯片

可穿戴式计算机采取芯片作为计算中心是其技术发展趋势，将调度中心、计算中心集中到一个体积小、功耗低且质量轻的芯片中，完成所需业务的调度与计算，包括处理器、内存、存储器以及控制电路等部分[2]。在集中处理大规模数据时，可以在中央处理器外配置协处理器，为中央处理器分担计算压力。芯片的选择需要根据业务需求、工作频率、成本进行合理的选择。可穿戴式计算机的发展对芯片提出了更高的技术要求，低功耗、高集成度是主要要求，因此，芯片技术也有不同发展方向：通过删除非必要功能制造新架构以降低功耗[3]；通过设计、后期封装与制造提升芯片集成度；通过专设的低功耗处理器对应用场景中的传感信息进行处理等技术。

2.2 操作系统

嵌入式操作系统开发是可穿戴式计算机技术的主要技术之一，可穿戴计算机的存储空间受到较大限制，操作系统需要有较高的专用度与实时性，通过实时技术、微内核技术组成的嵌入式操作系统，能够为可穿戴式计算机提供强大的多外设处理能力。

2.3 无线自组网技术

无线自组网即基于一组具有无线收发功能的移动主机所组成的网络系统，是不需要确定基础设施、不需要集中控制技术所支持的临时性的自治网络。无线自组网能够在任意时间，经无线信道将各节点连接为一个任意形式网状的拓扑结构，这些节点是通信终端与路由器的结合，因此被称为自组织网络。网络中任意节点都可通过任意方式实现动态连接，并且进行自动重组，有很强的稳定性。

2.4 上下文感知计算技术

上下文感知计算技术是可穿戴计算机与生俱来的技术，可穿戴式计算机通过各类传感器、信息系统、配置设定获取上下文，将传感器技术与分类识别算法技术相结合，就构成了上下文感知计算系统。

2.5 传感器技术

传感器是可穿戴式计算机获取上下文信息的硬件系统，是一种小体积、小功耗、低质量、高可靠性、易集成和高稳定性的传感器，主要分为运动感知、环境感知、生物感知三大类。运动感知类主要感知用户运动状态及睡眠状态；环境感知类主要用于监测所需要的环境参数，为用户出行及种类生产生活活动提供指导；生物感知主要用于感知种类生理参数。多传感器数据融合是当前可穿戴式计算机的必然发展趋势。这种技术主要是由多个传感器甚至多类传感器信息处理系统针对特定问题作出信息处理的技术，是按照时序对所获取的各个传感器上下文信息，运用一定规则进行自动化分析及优化综合，以作出特定决策和完成任务而采取的一种数据处理技术。

2.6 人机交互技术

人机交互技术能够使可穿戴式计算机和用户之间进行便捷的通讯，是一种无形的交互，能够让用户随时随地随意获取信息。可穿戴式计算机的人机交互技术是以减少双手占用时间，提升控制灵活度，达到人机合一为目的的。因此，人机交互技术的研发始终是可穿戴式计算机的技术要点。从当前已经市场化的可穿戴式计算机人机交互技术来看，主要包括：身体数据感知、肢体动作探测、眼动追踪、实物交互、语音输入、肌肉生物电、环境数据监测等输入方式；声音、显示屏、头戴式投影、环境投影、内置灯泡、振动和温度等肢体感知信号、其他平台界面显示等信息输出方式。

3 无线网络技术

可穿戴式技术机要实现无线短距离信息传输需要通过无线网络技术将用户、计算机、其他移动设备之间的数据连接起来。这类技术主要包括WiFi，IRDA，RFID，ZigBee，UWB，GPS/北斗，蓝牙等。

3.1 蓝牙技术

蓝牙技术由于其成本低、功耗低、辐射低、抗干扰能力强、安全性高、组网灵活等方式，是短距离无线通信技术的主要技术。蓝牙用户在进入新地点后，其蓝牙设备就能对周围蓝牙设备进行自动查找，并实现通信，同时主动获取附近的各类服务。蓝牙是由微微网作为一个单位，由两个以上拥有同一个频道的蓝牙单元设备装置组成一个微微网，由一个蓝牙单元作为主单元，其余单元则作为从单元，每一个微微网可以拥有8个左右的蓝牙单元。蓝牙设备之间处于平等地位，任何一个蓝牙设备要和其他用户进行无线通信，都能够发起呼叫连接，通信结束后，呼叫连接就会解散，具有很高的灵活性。

3.2 WiFi技术

WiFi技术能够实现高速率传输，并且有很好的移动性，通过无线信号，可穿戴式计算机能够进行各种多媒体信息传输，传输范围超过100 m以上，同时能够将用户和网络相连接，用户可以接收到无线上网服务。

3.3 IRDA技术

红外数据协议（Infrared Data Association，IRDA）能够使移动设备和计算机进行快捷的无线通信，拥有红外接口的其他设备，也能够实现数据传输。红外技术需要对接才能进行无线通信，安全性较高，但传输距离很短，也只能进行点对点传输，需要通信设备之间不能有障碍，也很难实现扩展，因此，红外技术在可穿戴设备上的应用范围很狭窄。

3.4 RFID技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种自动识别技术，能够在不接触目标的前提下同时识别多目标，具有读写速度快、存储空间大、工作距離远、环境适应性强、穿透性好、外形多样化、组网灵活、成本低、安全性高等优势。通过标签等应答器、读写器及应用系统组成一个RFID系统，通过空间视频信号进行双向无线信息传输。可穿戴计算机运用RFID标签作为无线通信模式，利用RFID读写器为网络节点，就能够自由组建一个无线通信网络，与其他无线网络技术进行互补。由于RFID标签是由天线与芯片组成，在可穿戴条件下，天线会出现弯曲形迹，从而影响其功能，因此，在实际应用中，需要对天线技术进行改进，使其能够适用于可穿戴式计算机的无线通信模块构造。

3.5 ZigBee技术

ZigBee技术是在IEEE802.15.4协议基础上发展而来的短距离、低功耗无线网络技术，该技术成本低、通信距离近、功耗低、网络节点大、自组织强，在自动控制等领域有很强的适用性。但由于ZigBee技术通信范围较为狭窄、功率较低，因此，更适用于数据流量较小的通信业务，可以用于遥测遥控、医疗护理、工业自动化、家庭自动化、农业自动化、汽车自动化等领域。

3.6 UWB技术

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是基于MB-OFDM协议发展而来，其通信机制是一种超帧结构，根据这一协议，UWB网络中各节点都是平等的，不存在协调控制功能的节点，是一个完全的分布式网络结构。各节点也不配置中心协调器，因此，要实现各节点的信息交互，就需要先进行协调，通过各节点依次进行一种信标帧广播完成协调。这种技术是一种高速率、短距离无线通信方式，其工作频率为非工业科学医疗（Industrial Scientific Medical，ISM）公共频段，有很宽的传输宽带，抗干扰能力极强，并且能够满足高速传输需求。

3.7 GPS/北斗

GPS/北斗是可穿戴式计算机产品发展需求的反映，随着可穿戴式计算机功能的发展，定位成为人们日常需求之一。在可穿戴式计算机中添加GPS/北斗传感器，增加其定位功能，由时钟信号或者串口线连接可穿戴计算机，就能够实现无线串行通信。

4 结语

可穿戴式计算机为当前市场提供了丰富多样的可穿戴设备，广泛应用于各个领域，为人们的日常生活、工业生产、医疗卫生等提供了极大的便利。围绕可穿戴式计算机及其无线网络通信技术的各项技术开发也在不断发展，使可穿戴式计算机具备了更为丰富的功能、更灵活的组网结构及更可靠的服务，使其市场前景更为广阔。

[参考文献]

[1]李媛.可穿戴计算机无线通信模块与组网技术研究[J].城市建设理论研究（电子版），2016（11）：100.

[2]张操政.可穿戴传感网络节点误差分析与数据融合算法研究[D].南京：南京邮电大学，2015.

[3]耿海龙.动态可重构穿戴计算机软件平台设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

作者：张海娟 李显娜

可重构穿戴计算机软件论文 篇2：

未来旅行的智慧变革

5G，不止于通信

01 5G无人机

如今很多人出门旅行已经不再纠结带单反还是微单，只要一台无人机就够了。当5G搭配无人机时，又将会有哪些新的体验发生？在5G时代，旅行者不必再为找一个好的取景角度而冒险爬上陡峭山岩，只需操控5G无人机去拍摄，超高的网络速率完美支持4K甚至8K的超高清视频的实时回传。相比于地面传统摄像头静态、低纬度的视角，5G无人机将实现动态、高纬度的超高清广角俯视效果，使你收获别具一格的旅行回忆。

02 5G乌镇

当世界互联网大会在乌镇落地生根时，这座千年古镇也因此被注入互联网基因，成为世界知名的互联网小镇。如今，这里已经成为展现互联网，特别是5G技术最新成果的“全方位体验场”。从乌镇酒店到乌镇管家联动中心，你可以乘坐自动驾驶微公交;走在路上，你会遇到5G导览机器人和人脸识别广告机：商店里，有5G+AR试衣镜，你可以自动试穿虚拟服装：想娱乐，可以用5G+VR看乌镇历史变迁;在5G智慧社区的体验之中，各类电子产品都实现了万物互联。踏上一次乌镇5G之旅，体验5G给旅行带来的包罗万象式的改变，我们也足以洞见5G发展的未来。

03 5G智慧机场

5G时代的到来为智慧机场建设提供了创新发展机遇，也为机场安全、运行和服务应用场景带来了新的想象。作为深圳的窗口和门户——深圳宝安国际机场不仅实现了5G网络全覆盖，机场方面还展开5G+摆渡车、5G+智慧助航灯光、5G智能服务机器人等5G应用的创新实验，并通过4K超高清摄像机与5G网络传输技术相结合，在航站楼内进行航空器跑道起降及到达旅客4K超高清视频直播，这也是5G技术在国内机场中的一次创新应用尝试。这样的5G场景直播，让旅客在航站楼内就能实时看到跑道上飞机起降的画面，有助于缓解旅客的焦躁情緒，给旅客更好的出行体验。

04 5G汽车

非自驾最让人头疼的也是自驾过程中的耗费心力。倘若让汽车装上“上帝之眼”实现了真正的脱手驾驶，你会马上出发吗？5G的低延时、高可靠解决了无人驾驶最重要的技术需求。基于5G、智慧交通、V2X等科技手段下诞生的百度Apollo“5G云代驾”则是无人驾驶的重要配套服务，可为无人驾驶系统实时补位。随着5G技术的深入发展，自动驾驶技术将真正落地，而未来旅行也将实现真正的说走就走。
05 5G云打卡

在暂时还无法顺利周游全球的当下，不如以“眼前”美景满足心中所期。得益于5G网络的高速率技术发展，亚马逊推出了一项名为Amazon Explore的虚拟旅游服务。通过Amazon Explore的虚拟体验，不一样的在线之旅。Amazon Explore通过一对一的服务，赋予用户更多“身临其境”的体验同时，也满足人们那颗想踏出国门的心。
AR&VR看见更广阔的“视界”

01 AR&VR数字导览

早已在AR&VR技术领域默默耕耘了十多年的故宫博物院，利用全景VR技术推出了《全景故宫》栏目，游客和观众可以沉浸式地欣赏360°故宫实景。除了已经开放的区域，人们还可以在VR中踏足暂未开放的区域。用最前沿的科技去展现历史细节，不仅为游览考提供更为丰塞的展馆信息，也以更具吸引力的表现形式和叙事方式，让虚拟世界中的古文物真正地“活”起来。

02 AR涂鸦伦敦街区

想象一下，如果整个城市都变成你的涂鸦场，那会怎样？Snapchat推出了一个户外AR项目Local Lenses，并于伦敦的卡纳比街正式上线City Painter。只需要在Snapchat上调用摄像头，City Painter就能让你在街道上方喷洒红色和蓝色的“喷泉”，然后用预先设计的涂鸦对墙面砖块进行装饰。除了交强的可玩性，Local Lenses也用AR的技术改变了人们对城市的游览方式。你可以一遍完成一次City Walk，也让街道成为你的创意画布。

03 VR全景相机

VR行业的迅猛发展带动了一大批VR相关的硬件设备的问世。其中VR全景相机的出现为整个行业带来了新的可能性。在迈向VR全景的路上，3D立体决定了观者能否真正体会到沉浸感。专业级Obsidian 3D VR相机率先采用深度学习图像算法，让图像在批量数据中自我训练，生成无缝、立体、富含空间信息的全景画幅，重现人眼所见。VR全景相机不仅丰富你的旅行照片库，同时也让你晒在社交媒体上的不再是一张“游客照片”那么简单。

04 VR电影节

作为历史最悠久的国际电影节，威尼斯国际电影节不仅关注着传统电影艺术的发展，同样也是VR这一电影新媒介发展的见证者。自2017年首次设立VR单元以来，威尼斯国际电影节便鼓励电影人用最新的VR技术进行电影创作，探索电影语言新的边界。在VR展映单元，观众进入VR观影空间后，穿戴好VR设备便可进入虚拟与现实的影像世界。

05 VR酒店选房

出行前预定酒店时使用VR选房功能，可以说这很好地解决了“图片仅供参考”的问题。三亚海棠湾红树林度假酒店与酒店智能化云平台展开合作，你可以在平台上通过VR全景功能看到酒店内部房间的真实环境，并且视角不再受到局限，360°无死角的真实场景都将映入眼帘，同时你还可选择楼层与朝向，提前确定要入住的房间。顺利敲定旅行中住哪儿的问题，玩什么、吃什么也就自然迎刃而解了。
Biometric你的身体就是你的密码

01無接触式生物识别通道

面对常态化防疫的需要，新加坡樟宜国际机场正式推出一体化生物识别通道。樟宜机场在航站楼的多个通行点设立感应装置，并升级生物识别系统，将面部识别和虹膜识别相结合，组成先进的一体化生物识别通道。乘客漫步在机场内即可无缝办理乘机手续，实现安全便捷的非接触式旅行体验。此举也将有效减少人员接触，缩短证件核查和排队时间，提升机场客流通行效率，让乘客的旅行更加便捷安全。

02什么“密码”让支付更安全？

现如今，踏上旅途的你甚至都不用再纠结带还是不带钱包。因为随着金融服务变得越来越数字化，生物识别技术也在其中发挥着强大的安全效用。利用苏格兰皇家银行的非接触式卡试点服务，一旦交易金额超过三十英镑，它就会对消费者启用指纹验证。而在中国，支付宝、微信等支付平台也开始支持“刷脸”支付。当银行和金融科技公司广泛采用更严格的生物识别技术来打击欺诈，也以此增强客户体验。

03智慧一体化的入住体验

酒店行业陆续升级的智慧一体化的人脸识别服务，提供了一种新的便利体验。作为一种为客户提供个性化服务的新方法，从即时入住到基于身份的个性化首选服务，万豪国际集团已在中国的两家酒店对其人脸谖别登记亭进行了测试，整个入住办理过程可以缩短至不到一分钟。

04“刷脸”验票，“靠脸”吃饭

前往大型景区时，多数人会发觉一天时间不够游览。单票单次的话，必须当天进出景区，没法细细品味;重复购票又太过浪费和烦琐，匆匆走过又太遗憾。敦煌鸣沙山月牙泉景区在捡票时引入全新的人脸识别系统。这套系统不仅在游客首次进入景区的时候，以快速的识别效果提高检票效率，游客通过刷脸进行验证识别后还可以二次入园。这套人脸识别系统还可以将不法分子、黑名单人员拒之门外。一旦发现嫌疑人员，可触发报警，进一步保障景区的全面安全。

05当汽车不再需要钥匙时

不用带车钥匙，就能自如地启动、锁定汽车？科幻电影中的情节正在我们的生活中成为可能！保时捷（Porsche）与计算机软件开发商FogHorn合作开发的多重元素认证系统的原型，可以实时进行人脸识别及使用手机进行其他身份验证，使驾驶员无须钥匙即可进入汽车。虹膜或指纹扫描等生物识别系统技术应用，也正在成为越来越多汽车企业的智能化技术“标配”。
AI做未来生活的“头号玩家”

01智能行程规划

对旅行者来说，在规划并真的踏上一段行程之前，需要在多个App之间跳转制定旅行规划，不仅过程繁复磨人，也让人身未动，心已累。Travel Flan就针对这个痛点，基于旅客的信息、目的地、时间等数据，利用AI聊天机器人的强大算法处理，向用户推荐合理的旅行路线。旅行者可以通过和TravelFlan的AI聊天机器人交互，获得关于定制行程、餐厅推荐、购物攻略的旅行信息。

02不迷路的精准地图

生活中的你是否也被地图“坑”过？如今，在AI技术的浪潮下，地图智能化已经成为互联网企业获得用户的最佳入口之一。AI地图在出行审扮演着“智慧导游”的身份，除基本的路线导航功能之外，AI地图利用全新技术和大数据的支持，为用户提供了丰富的生活服务内容。用户不仅可以在手机地图上查找目的地周边信息，智能地图还会根据防疫需要，上线发热门诊导航地图等查询功能。智能手机地图之所以成为人们生活的小帮手，正是AI技术使其应用边界得到扩展，让其成为人们生活中不可获取的一位智能帮手。

03重构一座AI CITY

作为全球领先的智慧场景服务商，特斯联科技（Terminus Group）一直致力于构建AI CITY全球化网络。“重庆云谷”便是特斯联在国内落地的首个AI CITY项目。“重庆云谷”位于重庆的高新技术产业开发区，其中占地75.000m²的科技中心将被打造为一座由高精尖科技支撑的未来之城。AI CITY代表了人工智能和机器人技术的未来，届时人类和人工智能之间的障碍将逐渐被消除。电动自行车、机器人车辆和自动驾驶汽车也将在这座AI CITY中被定义为一个全新的智能交通系统。

04在耳边的实时“助理”

普通耳机满足了用户对内容和通信基本的听与说需求，而有了AI技术的加入之后，耳机逐渐从单纯的传输通道变成信息加工和提供服务的智能设备。科大讯最新推出的iFLYBUDS便是这样一款功能强大的AI智能耳机，支持通话实时转写、智能拨号识别、通话译文对照三大核心AI功能。不论在自驾出行还是在通勤、会议等多样的不同场景中其都能化身为优质的实施“助理”解放双手，帮助人们进行重要的信息记录和沟通的。耳机所搭载的智能降噪功能采用双麦克风拾音，CVC降噪算法，即使在机场、健身房等嘈杂环境中也能有清晰流畅的通话体验。

05 AI礼宾机器人

AI机器人技术的发展正在以多种方式改变人们的日常生活与工作。从公共领域到人们的家园，人工智能和机器人技术已经渗透到人类生存空间几乎所有方面。在首尔仁川机场“转悠”的AI礼宾机器人会向需要帮助的游客提供登机时间、登机口的方向等信息。它们不仅支持韩语、英语、汉语和日语四种不同语言，甚至还可以扫描乘客的登机牌，并将他们送至对应的登机口。

可重构穿戴计算机软件论文 篇3：

4D打印的发展现状与应用前景

4D打印使用的是一种能够自动变形的材料，只需特定条件（如温度、湿度等），不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。“智能材料”是4D打印的关键。简单地说，4D打印就是用来描述合成物进行自我改变和适应环境的过程，在三维的物体上附加的第4个维度，就是时间。

一、4D打印技术问世，放在水里“自我组装”

2013年2月25日，在美国加州举办的TED 2013大会上，来自美国麻省理工学院（MIT）的建筑师，设计师和计算机科学家斯凯拉·蒂比茨（Skylar Tibbits）展示了4D打印技术（图1）。这项技术由麻省理工学院自组装实验室和3D打印公司stratasys合作开发。而斯凯拉·蒂比茨也被公认为是4D打印的发明者。

蒂比茨展示的4D打印过程就像是拥有自我意识的机器人，科学家通过软件完成建模和设定时间后，变形材料会在指定时间自动变形成所需要的形状。在他展示的视频中，一根多串的PVC复合材料管在水中完成了自动变形，如图2所示。

蒂比茨认为，4D打印让快速建模有了根本性的转变。与3D打印的预先建模、扫描、然后使用物料成形不同，4D打印直接将设计内置到物料当中，简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程。让物体如机器般自动创造，不需要连接任何复杂的机电设备。

二、4D打印技术经典案例

尽管在2013年美国麻省理工学院已经展示出了一个关于4D打印技术的实验，但该技术当时并未引起太大关注。一直到2014年10月8日，美国《外交》双月刊发表了一篇名为《准备迎接4D打印革命》的文章，才让很多国家政府层面开始关注4D打印技术，尤其是以美国为首的发达国家，着手在军事、医学等领域探索4D打印技及其在这些领域中的应用。

2015年，佐治亚理工学院（GIT）和新加坡技术大学也推出了4D打印的研究成果，只需单一种类的刺激（比如热量），就能实现三维物体的自我折叠。使用智能形状记忆聚合物（SMPs）制成的4D平面在放入热水中自动变形为一个自锁立方体的过程。

形状记忆高聚物（SMPs）是一种有名的智能材料。这种材料的特点就是可以在外界作用下变为其他形状，之后在加热等条件的刺激下还能变回原始形状。在上面的过程中，热水就是单一的热源，而立方体的各个部位则是由对热量反应不同的SMPs通过3D打印技术制成的。所以它们可以按照时间顺序先后运动，在不发生相互阻挡的情况下最终自折叠成既定的3D实体。

这种全新的4D技术可以用于制造那些需要方便运输的物体。它们最初的形态可能就如同上面的实验品一樣是一个平面，需要使用时只要施加合适的刺激就会自动转化为3D形态。便携式庇护所，支架一类的移动式医疗设备，简单的机械，以及互动玩具都可以是它的应用项目。

同样是2015年，耶路撒冷希伯来大学卡萨利应用化学中心利用光固化成型（SLA）技术实现了SMPs材料的4D打印。这项成果能够实现结构的整体运动，而不是特定部位运动。打印的模型在室温中如同蜡一样，通过热枪提高其熔融温度后就能弯曲或重新塑形。如果要固定住改变的形状，只需将其放入冷水降低熔融温度即可。之后再次加热，形状记忆就会启动，从而令其恢复原始形态。为了将这项技术应用到柔性电子产品中，就需要将SMPs整合到导电材料中以触发移动。目前，研究者们已经用导电的银质纳米墨水打印出了一块扁平的电路。它能够在电压的作用下实现自动开合。研究者表示这样的技术能够运用于制造柔性机器人，微创医疗设备，传感器以及可穿戴电子产品。

2016年1月，哈佛大学宣布开发出微观4D打印结构，这种新型4D结构使用一种“水凝胶墨水”，该墨水是从一种含有木纤维的特殊水凝胶复合材料中提炼萃取的。由于使用了专门的材料预测模型，该结构会在遇水后逐渐膨胀、变硬，直至完全变形为预编程的形状。这种在外部刺激下就能自动变形为预设形态的能力在智能织物、柔性电子产品、生物医疗用品和组织工程等方面都有重大的应用价值。

瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）更是把4D打印提升到新的高度：他们与计算实验室（EDCL）在2017年5月展示了一种全新的4D打印结构（图3），最后形成的四面体结构可以承受一定质量。这些4D打印结构是他们使用一款多材料3D打印机制造的。其中，白色部分的材料是一种刚性聚合物，黑色部分的材料则是一种弹性聚合物。这种弹性聚合物受热会发生形变，而这正是这些结构变形的关键所在。相关负责人表示，这种新型4D打印结构最大的应用领域是航空航天。不过，它也可用到其他方面，比如通风系统、阀门开关，以及医用支架。

2017年6月，美国乔治亚理工学院（GT）展示了一种全新的4D打印结构（图4），使用了4D打印的常用材料——一种形状记忆聚合物。此材料可以被编程，所以研究人员才能控制由它制成的支柱按顺序展开。与其他4D打印结构相比，他们的结构有个很大的不同，就是本身的类型并非普通结构，而是张拉整体式结构。这种结构由美国著名建筑师富勒提出，特点是质轻却强韧，以及能最大限度利用材料和截面的特性，从而使用尽量少的材料造出超大跨度建筑。

这种4D打印结构可以用于太空建设。具体来说就是让尺寸较大的航天器结构（比如天线）可以先被压缩，进入太空后再借助热刺激（比如阳光）展开。这样一来，将它们发射上天就会容易许多。

三、4D打印的应用前景

4D打印是在3D打印基础上的改进和完善，具有巨大的应用前景。从4D打印相关的研究成果来看，其比较有应用前景的领域分为3类：军事、生物医疗和文创领域。

1.军事

4D打印的智能材料能够感知外界的变化，从而实现与周围环境相适应的效果。美国陆军部已投入大量资金研发“自适应伪装作战服”，主要是从3个方面进行研发，分别是隐身功能、防弹功能和自适应功能。隐身功能能够使作战服在不同的环境下变化颜色，从而实现伪装效果；防弹功能能够根据外力的大小调节软硬度，保护士兵的人身安全；自适应功能能够使得服装根据外界温度的变化调节其特性，比如厚度、透气性等，使得穿着更加舒适。

4D打印同样能够应用于大型军用装备上。在打印的过程中，大型装备件呈压缩或折叠装，运输到目的地后能展开成完全体。这样能够大大减少打印件的部件数量，降低成本。根据相关报道，利用3D打印技术制造的大型军用装备已经获得了突破，但是运输到目的地后仍然需要花费人力和物力进行组装。而利用4D打印技术制造的部件免去了人工组装步骤，能够自动组装为成品。

2.生物医疗

生物医疗将是4D打印大显身手的主战场。因为伴随着纳米技术与数字化智能技术研发的深入，4D打印将能够进入人体内非常细微的空间进行工作。心脏支架就是4D打印的一种，可通过血液循环系统注射入4D打印的智能材料，其到达心脏指定部位后自我组装成支架。这样就不再需要给病人做开胸手术，减少了病人的痛苦。

加拿大Alberta大学的Ingenuity实验室于2017年12月宣布利用3D打印技术制造出了一种叶子形状的全新4D打印结构（图5），由天然蛋白质和水凝胶材料组成。这片4D打印的叶子能对不同的环境和材料做出物理反应，是用一种由银纳米颗粒、碳纳米管和蛋白质膜混合而成的特殊树脂打印的。当浸入水中并暴露在紫外光下时，这种材料就会与水反应，将水分子分解产生氢气。研究人员认为，这项研究最终能够实现3D打印真正可植入的人体器官。换言之，4D打印的水凝胶叶片标志着3D生物打印的器官发展的重要成就。

4D打印同样可用于癌症治疗。牛津大學圣安东尼学院荣誉学者纳伊夫·鲁赞曾声称，借助4D打印技术，研究人员能够利用DNA链制造出对抗癌症的纳米机器人。如果能够实现纳米尺度下的操作，4D打印将在医疗领域做出巨大的成就。

3.文创

4D打印技术的发明人蒂比茨领头研发了一种可以主动变形的鞋子，这种鞋子采用的是一种半透明、质轻、高度可塑的材料，可给予鞋子极致的美感。制作这种变形鞋的材料名叫“主动织物”，是通过以不同的层厚和在拉伸的织物上进行模式编程使用3D打印塑料制成的。一旦摆脱力的束缚，这种织物就会“跳起来”或发生重构，然后变形为预编程的形状。因此，这种4D打印鞋可以根据人类的脚进行重构（图6），自动精确契合人的脚型。

美国设计公司Nervous System在2015年展示了一种利用4D打印技术制作的连衣裙Kinematics Dress（图7）。连衣裙是由3 316个铰链连接的2 279个独特的三角形面板组成的复杂结构，三角形与连接点之间的拉力，可随人体形态变化，即使变胖或变瘦，连衣裙也不会不合身。

通过计算机软件，连衣裙的数字化模型被折叠成一个更小的形状，然后打印出来的是压缩的形态。当人们把裙子从打印机上拿下来后，它就会自动恢复预设的形状。4D打印的优点，一方面是能将形状挤压成它们最小的布局并利用3D打印技术制造出来，这样能够最大化利用打印空间；另外一方面是其打印的物体可以根据不同的需求进行自我变化，这些是传统制造和3D打印技术无法比拟的。

4D打印在时装领域的应用将改变当前服装的格局，比如未来的时装店将不再展示时装，也不再需要库存，而是一台人体3D扫描仪加一台3D打印机，用户可以根据自己的风格与偏好从计算机中选择相应的模板，系统将自动设计并生成相应款式的时装。

四、结语

3D打印方兴未艾，4D打印也受到了社会各界的关注。尽管目前的4D打印技术大多都处于早期研发阶段，但却已展现出了潜在的应用价值。限制4D打印发展的瓶颈主要是智能材料缺少，打印机规模小等问题，但是从3D打印技术30年的发展历程来看，完全有理由相信这些技术难点将被攻破，4D打印技术将成为一种全新的智能制造方式。

作者：刘屹环 朱丽