寧夏大學冒杰Science Advances：開發4D打印電控可逆3D變形材料

在軟機器人與生物醫學工程領域，可編程形狀變形材料具有巨大的應用潛力，然而，如何實現復雜三維結構的可逆與精確控制一直是一個關鍵挑戰。這主要是由于在空間中精確編程非線性力學及構建驅動拓撲結構極為困難，同時軟材料在外界刺激下可能呈現多種復雜變形行為，進一步增加了調控的難度。

近日，寧夏大學冒杰副教授和浙江大學肖銳研究員、毛國勇研究員合作提出了一種基于剪切輔助數字光處理（DLP）的4D打印策略，實現了對介電液晶彈性體（DLCE）機械各向異性的時空編程。該打印方法無需模板，通過調控局部剪切場排列液晶分子，并在紫外光下固化形成多層結構。打印出的DLCE執行器在電場作用下可實現彎曲、扭轉及復雜曲面等多維可逆形變。研究者還開發了一套逆設計算法，可將目標三維曲面轉化為可執行的打印指令，成功重建了包括熊貓面部、仿生植物及黃河地貌在內的復雜幾何結構，精度達到亞毫米級，展現出在軟機器人與自適應系統中的廣泛應用前景。相關論文以“Spatiotemporally programmed dielectric liquid crystal elastomer: Electro-reversible 3D morphing via inverse 4D printing”為題，發表在Science Advances上。

研究團隊通過剪切輔助打印實現了液晶分子的局部定向排列。在打印過程中，刮刀速度與高度等參數被精確控制，以優化液晶排列的有序性。偏振光學顯微鏡與二維廣角X射線散射結果顯示，隨著剪切速率提高與刮刀高度降低，液晶分子從初始的隨機排列逐漸轉變為高度有序的向列相結構，有序參數最高可達0.66。打印出的DLCE薄膜表現出顯著的機械各向異性：平行于分子排列方向的楊氏模量高達809 kPa，而垂直方向僅為230 kPa。此外，該材料在垂直排列方向上具有高達6.8的介電常數，遠超傳統介電彈性體，使其在電場中能實現高達21%的單軸應變響應，響應與恢復時間分別僅為0.17秒與0.07秒。

圖1. DES中空間分布機械各向異性的無模板編程和逆設計，實現電驅動下的可逆3D形狀變形。

為進一步驗證該策略的有效性，研究者設計了基于雙層結構的彎曲驅動單元。在電場作用下，剪切與非剪切層之間的應變失配導致薄膜發生面外彎曲，最大彎曲角度可達70°。通過組合多個彎曲單元，研究團隊成功構建了S形結構、扭轉三角片、金字塔展開、仿花綻放及風車折疊等多種可展開曲面形變。這些結構的實驗觀測與有限元模擬結果高度一致，表明所建立的機電耦合模型能有效指導復雜形變結構的設計。

圖2. DLCE薄膜的結構和電機械表征。

圖3. 具有精確控制可展開曲面形變的彎曲單元。

除了可展開曲面，該技術還可用于編程具有高斯曲率的非可展開表面。研究者通過構建二進制矩陣（“0”代表非剪切區，“1”代表剪切區）來調控局部驅動行為，實現了零、正、負高斯曲率等多種曲面形變。例如，通過設計環形排列的剪切單元，成功構造出截錐、雙層蛋糕及多級波紋等復雜曲面。實驗表明，驅動位移隨電場強度、執行器尺寸及液晶排列方向的變化而可調，驗證了該策略在復雜曲面構建中的靈活性與可控性。

圖4. 通過4D打印編程高斯曲率及其他非可展開曲面。

為實現對非對稱復雜曲面的高精度重構，研究團隊開發了一套逆設計流程。以三維熊貓面部為目標曲面，通過激光掃描獲取坐標數據，利用MATLAB提取等高線并計算液晶排列方向與層數分布，最終生成三組不同排列角度的打印區域。實驗結果顯示，打印出的DLCE薄膜在電場驅動下能準確復現目標曲面輪廓。同樣地，該方法還被用于重建具有19片花瓣的仿生植物“Graptoveria Amethorum”以及中國黃河地貌的復雜地形。其中，黃河地貌執行器甚至能利用高度差實現液體輸運功能，顯示出在仿生流體系統中的潛在應用價值。

圖5. 復雜非可展開曲面的逆設計。

這項研究成功展示了一種無模板編程與逆設計相結合的策略，實現了DLCE材料在電場驅動下的快速、可逆與復雜三維形變。該方法具備高時空分辨率、優異疲勞壽命（超過2萬次循環）與毫米級形變保真度，為軟體機器人、可重構微流控及生物醫學設備等領域提供了新的技術路徑。未來，研究將致力于提升系統可擴展性、集成多刺激響應能力，并進一步優化材料輸出力與計算效率，以拓展其實際應用范圍。