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材料性能会复杂到难以理解和预期的程度，而“材料设计”仍然是材料科学的圣杯。3D打印可以在很大程度上增加材料的种类，但问题是我们不知道它的未来走向和未来预期。
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在第一次打印多材料时，直观的感觉是混合材料的性能可能会介于基础材料和主要材料之间。如果将相等的硬质材料和软质材料混合在一起，你将会得到一个半硬半软的材料。但事实证明并不完全如此，最终成型的材料属性取决于你混合材料的方式。
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例如，如果按照棋盘式的图案打印软硬材料，新产生的材料可能会具有一定的硬度。但如果你按照随机样式打印同样两种类型、同样数量的材料，你就会得到硬度更强的新材料。打印模式、不同的材料由打印机依需求混合。
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如果你眯着眼睛低头看棋盘图案，例如棋盘式的地砖，你可以看到黑白交替的对角线。同样，当两种材料以棋盘图案进行打印时，软质材料的长对角线链就会变成“薄弱环节”，使复合材料更软。但如果你按照随机样式将两种材料混合打印，就不存在鲜明的“薄弱环节”，所以整个材料就会变得更硬。
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科学家们很早就知道材料中原子的纳米排列决定了其总体性能。从业者在几个世纪前就指出，随机模式比规律模式更坚硬。铁匠将热金属剑在冷水中进行淬火以使金属能够快速冷却，然后形成任意形状的小晶体，而不是使之慢慢冷却成为柔软、光滑、可锻造的铸铁。但是这是我们第一次能够直接地、明确地控制这些模式。然而目前我们不可能在原子纳米级水平上直接控制，而是在微尺寸的基础上逐渐摸索下去。
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材料的性能可能会变得更奇怪。如果你按照某一模式打印多元材料，其材料特性可能超出基础材料的性能范围。按照某一模式混合软硬材料，你可能得到比其中任一种原始材料更硬的全新的合成材料。如同你把比钢软得多的木头和塑料混合，可能会得到类似钢的材料。
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材料变脆弱的一个原因是，一些小的缺陷会变成微小的裂缝，在材料断裂之前会在结构中加剧。如果我们能够策略性地将软质材料嵌入这些脆弱材料中，这些软质材料的补丁会缓冲这些裂缝，使恶化得以停止，延缓对硬质材料灾难性的影响，使其变得更为坚硬。蚌壳就有类似有趣的性能，但是直到最近，制造这样的材料还仅仅局限在“大自然母亲”的范围。显然我们还不能像自然一样注塑材料。但是有了多材料打印，我们可以随意制造它们。
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还有个例子，与材料的弹性和它们在压力下的弯曲和伸展有关。如果你曾经拉长过橡皮筋，你会注意到橡皮筋被拉得越长，它就变得越细。大多数材料都如此，这就是所谓的泊松效应，它是由首先系统阐述其特征的法国数学家和物理学家西莫恩·德尼·泊松命名的。然而，当你换一种模式将软硬材料进行混合打印，使得材料纵向拉长时，横向也会变宽，这也不是没有可能。具备这种奇异的、反自然材料属性的是一种负泊松比的材料，被称为拉胀材料（Auxetic Material）。
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拉胀材料还没有在自然界发现过，传统的制造技术很难将其生产出来。但如果拥有一台高分辨率的多材料3D打印机，你就可以根据需要制造出拉胀材料并把它们嵌入其他结构中，制造出奇异的机器。例如，利用拉胀材料设计制造出来的汽车可以吸收撞击产生的能量以确保乘客的安全。用拉胀材料和常规材料混合制造的前保险杠能够吸收撞击产生的能量，将其传输分散到不同的方向。
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还有更为不寻常和有用的模式。我们可以通过层压模式打印硬质和软质材料，使混合材料能够在一个方向上灵活、在另一个方向上僵硬。这个属性本身看起来并不吸引人，直到你意识到你可以用定制的弹性性能打印物体。例如，一个定制的支架或植入物可以帮助病人在膝盖受伤后，在一个方向自由弯曲他们的膝盖，而在另一个方向支撑起他们的膝盖；一双定制的手套可以提升攀岩者紧紧抓住突出物的能力。
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图14–3 具有自修复微结构的多材料。球窝在临界压力下释放，但可以重新聚合并恢复到原来的模式
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图片来源：Daniel Dikovsky, Objet Inc.
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在我参观Objet公司期间，爱德华多和丹尼尔将手伸进抽屉，掏出了几件奇怪的新材料。他们向我展示了一件他们打印出来的自修复材料。他们解释说，这个材料能够承受极端的压力，如果压力超过极限，材料就会屈服，但在压力消除后，它会完全地“愈合”。
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这种材料通过把原材料存放到微小而相连的“球窝”构成。这种由环环相扣的百万计的组件构成的材料会持续保持弹性直到球从窝内蹦出。如果压力消除，球就会弹回原位，材料恢复为原来的形状。
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我仔细观察Objet公司的新型材料，它看起来就像个普通的灰色塑料，我想象这个普通却非凡的打印材料用途到底有多大。假如你的汽车保险杠因车辆事故折断（从经验上讲），试想如果你将断裂的保险杠推回原位，它就能够自动地恢复原状，那该多好啊。
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动态的材料可以依据承受压力的大小由硬变软，就像研磨的咖啡在真空包装后硬得像砖头，但在打开真空包装后却能够像液体一样流出。所谓的干扰材料即能够依据环境而改变硬度。
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构建材料性能的效果并不是凭直觉就能获取的，即使是像碳纤维层压板这样相对简单的复合材料，也需要材料学家和工程师倾其毕生精力来研究。高分辨率多材料打印机的问世开辟的崭新设计空间太大了，以至于预测材料的特性变得非常困难，更不用说探索材料的设计了。随着3D打印机储存多材料范围的扩大，新的材料有时会被偶然发现，有时则需要深入探索。与设计师需要通过新的计算机辅助设计工具、应用新的语言和设计理念设计出新的图形一样，探索全新的材料领域也需要新的设计工具。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398879]
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活性系统打印：打印完整的机器人
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到目前为止，不论材料是硬或软，是弹性或坚硬，本章所讨论的都是被动材料打印。被动材料以一种可以预知的机械方式对所处的环境做出反应。未来，我们将打印能够行动、反应、感知、运算和回应周边环境的活性材料。对打印活性材料的探索时断时续，所以目前大部分杰出的3D打印作品不论大小、复杂程度，仍属于被动打印的范畴。
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目前活性材料打印取得的初步成果是打印导电材料。我们已经知道如何打印金属，而金属是很好的导体，那还存在什么问题呢？目前的挑战是如何在非导电材料中嵌入导电材料，比如塑料绝缘体包裹的铜线。如果能够在非导电体中打印导体，那么你就可以用预装配的线束打印机器人、用复杂的定制的天线打印手机、用内置传感器打印假肢以及新型消费电子设备。
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打印导线面临着双重挑战—超出了多材料打印的能力。这个挑战是要确保两种材料可以相互兼容。如果你尝试同时打印金属和塑料，金属熔化的温度就会烧掉塑料，导致两种材料无法相容。
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找到熔融温度较低、与塑料相容的特殊导电金属的可能性也是存在的，但是这些材料很少，也很难被利用。另外，也可能会找到非金属导体，例如导电塑料，但是并不会像金属那样实现完全导电，所以探索仍在继续。
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在Objet公司，对于打印在非导电结构材料内嵌入的导电材料，爱德华多和丹尼尔信心满满。他们坚持认为问题不在于技术，而是商业优先权的问题。工业领域渴求更强大、更耐用的3D打印材料。导电材料在短期内难以进入商业视野，它们还不属于优先考虑的事。