科學家突破介電彈性體4D打印技術，實現宏觀材料七十二變

近日，寧夏大學教授冒杰和團隊發明了一種通過剪切輔助 4D 打印制造的特殊材料，它的名字叫做介電液晶彈性體，它能像肌肉一樣在電場的指揮之下，精確、快速地變換成為各種復雜的三維形狀，并且還能變回原樣，打破了傳統上認為介電彈性體只能做簡單變形的認知。這項技術將能為未來的軟體機器人、生物醫療和自適應系統打開全新的大門。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289）

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289）

他告訴 DeepTech：“我們這項技術最大的特點，是實現了復雜形變的按需編程與快速電控響應，為未來智能柔性器件的發展提供了一種全新的材料和制造思路。”

首先，他和團隊首次實現了一種時空可編程（即在時間和空間上都能對力學性能進行編程）的、基于數字光處理的高精度介電彈性體材料打印，并以此實現了從 2D 到 3D 的復雜變形。

更重要的是，他們不僅僅是正向設計即設計一個結構然后打印出來讓它變形，還實現了一套逆向設計方案。也就是說，如果你有一個想要的變形目標形狀，他們的計算機程序可以自動計算出并輸出所需的打印指令，直接幫你把這個能變形成目標形狀的器件做出來。

圖 | 冒杰（來源：冒杰）

談到應用前景，冒杰表示這項技術潛力很大。

例如在交互體驗方面，未來的虛擬現實或增強現實中，或許不再只是看到圖像，還能通過這種可變形的表面觸摸到虛擬物體的形狀，比如一個蘋果的圓潤感實現遠程觸覺反饋。

在可穿戴設備與生物適配領域，人體或生物體的構造復雜多變，本次技術可以制造出能高度貼合這些復雜形變的柔性器件，實現更好的穿戴舒適度和功能性貼合。

在微流控與液體操控方面，通過電控方式精細改變材料表面形貌，可以像操縱地形一樣控制液體的流動、混合與輸運。

該團隊所展示的黃河地圖變形，其背后就蘊含著通過設計表面圖案來控制液體流向的理念。這在化工混合、危險化學品處理或生物檢測等領域可能有重要應用。

在航空與流體動力學領域，一個關鍵方向是研發可變形的機翼。目前的飛機機翼形狀是固定的，升力也相對固定。但在不同飛行條件下，如起降或遇到風雨時，若能實時改變機翼表面形狀，就能優化升力、降低阻力。“我們的這種電響應材料，就有潛力用于制造這類智能蒙皮。”冒杰表示。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289）

材料的變形記

這款材料的核心秘密，藏在一種名為液晶彈性體的物質里。對于液晶我們都不陌生，手機和電視的屏幕就用到了它。液晶分子在正常情況下排列整齊，像一隊訓練有素的士兵。而在這項研究之中，該團隊巧妙地使用一種特殊的 3D 打印技術（他們稱之為 4D 打印，因為打印出來的物體能在特定刺激之下隨時間變形），從在可以在材料內部編程，控制液晶分子的排列方向。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289）

這款打印機有一個可以移動的刮刀。在打印每一層材料的時候，刮刀移動產生的剪切力就像一把分子梳子，能讓液晶分子朝著特定方向乖乖站隊。隨后，紫外線立刻就可以照射，將這些排列好的分子凍結固定住。通過控制刮刀的速度和高度，就能在不同區域之內制造出不同方向的分子排列圖案。

這為什么重要呢？因為材料的軟硬程度會隨著分子排列的方向變化。沿著分子排列方向，材料比較硬，不容易拉伸；垂直于這個方向，材料則會比較軟。這樣，就能在一張薄薄的材料片上，制造出精細的軟硬梯度地圖。

當給材料兩面貼上電極并通電的時候，電場會產生一種叫做麥克斯韋應力的力來擠壓材料。由于不同區域軟硬不同，它們被擠壓收縮的程度也不同，這種步調不一致就導致了整張材料發生彎曲、扭轉等復雜的立體變形。就像我們在折紙的時候，在不同位置預先折出不同的折痕，一推就能變成千紙鶴一樣，本次團隊則是在微觀分子層面折出了隱形的折痕。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289）

隨心所欲的變形秀

利用這個原理，研究團隊像搭積木一樣，設計出了各種變形結構。

首先是最基本的彎曲單元。他們將一層軟區域和一層硬區域像三明治一樣結合在一起。一通電，兩層由于收縮不一致，整個結構就會彎起來，響應速度快達 0.17 秒，比眨眼還快。

接著是更復雜的變形。將多個彎曲單元組合，他們讓材料變成了會扭動的麻花、能開合的金字塔、含苞待放的花朵，甚至一個個能獨立遙控葉片轉動的風車。這些變形都是完全可逆的，斷電之后材料瞬間就會恢復平整。

他們還成功挑戰了非展曲面的變形。什么是非展曲面？像紙這樣的平面，我們可以把它彎成圓柱或者圓錐，這就是展曲面。但是，無法不拉伸或撕裂就把它變成一個球面或者馬鞍面這就是非展曲面。通過更加精密的區域編程，研究團隊讓他們的材料片在電場下，鼓成了球形的正高斯曲面或者凹陷成為馬鞍形的負高斯曲面，甚至可以編程出來多層蛋糕和漣漪般起伏的復雜地形。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289）

“基于這項成果，我們后續的研究計劃包括：對液晶彈性體進行進一步的功能化，例如加入變色或自修復能力；推動器件走向實際應用，比如深入探索可變性機翼蒙皮、AR/VR 觸覺界面、以及用于聲學降噪或聲波調控的可變形表面等方向。同時，我們也在致力于進一步提升材料本身的機電性能。”冒杰表示。

參考資料：

相關論文https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289

排版：劉雅坤