Hãy thử hình dung một vật thể được tạo ra bằng máy in nhưng không giữ nguyên hình dạng như lúc vừa ra khỏi máy. Khi gặp nhiệt, nước, ánh sáng hoặc một tác nhân kích thích khác, vật thể đó có thể tự uốn cong, gấp lại, phồng lên hoặc biến đổi sang một hình dạng mới.
Đó chính là ý tưởng cơ bản đằng sau in 4D (4D printing). Công nghệ này phát triển từ in 3D nhưng bổ sung một đặc tính đặc biệt vào sản phẩm cuối cùng: khả năng phản ứng với môi trường xung quanh và thay đổi theo thời gian.
Khái niệm này được kiến trúc sư kiêm nhà khoa học máy tính Skylar Tibbits phổ biến từ năm 2013. Hơn một thập kỷ sau, các nhà nghiên cứu đang phát triển những vật liệu ngày càng tinh vi cùng các kỹ thuật in mới, với kỳ vọng biến ý tưởng từng mang màu sắc viễn tưởng này thành những hệ thống kỹ thuật có ứng dụng thực tế.
Vậy chính xác in 4D là gì?
In 3D truyền thống tạo ra vật thể bằng cách đưa vật liệu vào hoặc làm đông cứng vật liệu từng lớp một theo thiết kế kỹ thuật số. Sau khi hoàn thành, vật thể nhìn chung có hình học cố định và thực hiện chức năng mà không thay đổi đáng kể về hình dạng.
In 4D vẫn dựa trên nền tảng sản xuất bồi đắp (additive manufacturing) tương tự in 3D, nhưng cấu trúc được in chứa các vật liệu có khả năng phản ứng với kích thích và có thể được lập trình trước.
Những vật liệu này có thể được thiết kế để phản ứng với nhiều tác nhân như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, sự thay đổi độ pH, từ trường hoặc kích thích điện.
Phản ứng mong muốn có thể được "lập trình" ngay trong bản thân vật liệu cũng như cách cấu trúc được in. Nhờ đó, một vật thể ban đầu phẳng hoặc nhỏ gọn có thể tự biến đổi thành một hình dạng được xác định từ trước.
Điểm quan trọng là "chiều thứ tư" ở đây chính là thời gian. Điều đó không có nghĩa các kỹ sư đang in ra vật thể có thêm một chiều không gian.
In 3D và in 4D khác nhau như thế nào?
Cách phân biệt đơn giản nhất là: in 3D tạo ra một cấu trúc, còn in 4D có thể tạo ra một cấu trúc có khả năng thay đổi sau khi được chế tạo.
Một linh kiện in 3D thông thường có thể được thiết kế để duy trì nguyên hình dạng trong suốt vòng đời sử dụng. Trong khi đó, một linh kiện in 4D có thể được lập trình để biến đổi khi gặp một điều kiện môi trường nhất định.
Hai công nghệ thậm chí có thể sử dụng những thiết bị in tương tự nhau. Khác biệt lớn nằm ở vật liệu, thiết kế cấu trúc và cách lập trình phản ứng của vật thể.
Vì vậy, in 4D không nhất thiết là việc phát minh một loại máy in hoàn toàn mới. Về bản chất, đây là sự kết hợp giữa công nghệ sản xuất bồi đắp với vật liệu thông minh và những cấu trúc được thiết kế có chủ đích.
Những vật liệu nào giúp in 4D trở thành hiện thực?
Các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm nhiều nhóm vật liệu có khả năng phản ứng với môi trường.
Polymer nhớ hình (shape-memory polymer) có thể được lập trình để trở lại một hình dạng nhất định sau khi chịu tác động của một kích thích, thường là nhiệt.
Hydrogel có khả năng trương nở hoặc co lại khi tiếp xúc với nước và những điều kiện môi trường khác.
Bên cạnh đó, giới nghiên cứu cũng đang tìm hiểu elastomer tinh thể lỏng (liquid-crystal elastomer), polymer tự phục hồi và nhiều loại vật liệu composite có thể kết hợp nhiều đặc tính khác nhau.
Không chỉ vật liệu, cách in cũng đóng vai trò quan trọng. Quy trình in có thể kiểm soát cách nhiều loại vật liệu được bố trí trong cùng một vật thể, khiến từng khu vực phản ứng khác nhau trước cùng một tác nhân.
Nhờ đó, các kỹ sư có thể tạo ra những chuyển động được lập trình sẵn như uốn cong, gấp lại hoặc thậm chí thực hiện những biến đổi phức tạp hơn.
In 4D có thể được ứng dụng ở đâu?
Công nghệ này đang thu hút sự quan tâm trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật.
Trong y học, các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu cấu trúc in 4D phục vụ việc đưa thuốc vào cơ thể, kỹ thuật mô, thiết bị chẩn đoán và các loại vật liệu cấy ghép có khả năng phản ứng với điều kiện bên trong cơ thể.
Trong robot mềm (soft robotics), các cấu trúc được in có thể hoạt động như những bộ truyền động nhẹ, có khả năng thay đổi hình dạng mà không cần sử dụng các động cơ truyền thống.
Hàng không vũ trụ cũng là một lĩnh vực đặc biệt đáng chú ý. Những cấu trúc thích ứng có thể thay đổi cấu hình khi điều kiện môi trường thay đổi. Trong khi đó, các bộ phận cần triển khai có thể được in ở dạng nhỏ gọn, sau đó tự biến đổi khi được kích hoạt.
Các nhà nghiên cứu cũng đang xem xét ứng dụng của in 4D trong điện tử, dệt may thông minh, linh kiện ô tô và xây dựng. Trong những lĩnh vực này, vật liệu có khả năng phản ứng với môi trường có thể mang lại những chức năng mà các cấu trúc cố định truyền thống không thể thực hiện.
In 4D đã sẵn sàng cho sản xuất hàng loạt chưa?
Nghiên cứu về in 4D đã tiến bộ đáng kể, nhưng phần lớn công nghệ hiện vẫn đang nằm ở giai đoạn phòng thí nghiệm và thử nghiệm ý tưởng (proof of concept).
Một đánh giá được công bố trên Chemical Reviews năm 2025 chỉ ra nhiều thách thức liên quan đến vật liệu, độ phức tạp của quá trình chế tạo và nhu cầu tiếp tục phát triển công nghệ trước khi có thể áp dụng rộng rãi.
Các nhà nghiên cứu vẫn cần kiểm soát tốt hơn tốc độ biến đổi, độ bền, khả năng lặp lại và điều kiện vận hành của vật thể in 4D.
Việc mở rộng quy mô những vật liệu có khả năng phản ứng để tạo ra các linh kiện công nghiệp lớn, đáng tin cậy cũng là một bài toán khó.
Vì thế, tương lai của in 4D có lẽ không nằm ở việc thay thế hoàn toàn in 3D truyền thống. Hai công nghệ nhiều khả năng sẽ ngày càng bổ trợ cho nhau.
In 3D mang lại cho các kỹ sư khả năng kiểm soát gần như tuyệt đối vật liệu được đặt ở đâu. In 4D đặt thêm một câu hỏi thú vị hơn: sau khi được in ra, vật liệu đó sẽ làm gì?
Sự chuyển dịch từ việc chế tạo những vật thể tĩnh sang chế tạo những vật thể có khả năng thích nghi với môi trường có thể đưa in 4D trở thành một trong những hướng phát triển đáng chú ý nhất của công nghệ sản xuất bồi đắp trong những năm tới.
