上海交大马卓晨、韩冰：4D纳米打印新突破——自主逆向编码设计技术引领高度可编程形变

引言

在机器人和智能系统领域，4D打印技术正逐渐成为一项革命性的制造工艺。通过4D打印，微纳米结构能够在外部刺激下实现可预测的形变，从而在微流体、微机器人、微创手术和组织工程等领域展现出巨大的应用潜力。然而，如何实现高度可编程定制化的形变一直是该领域的重大挑战。近日，上海交通大学的马卓晨副教授、韩冰助理教授以及吉林大学的张永来教授合作在International Journal of Extreme Manufacturing上发表了一篇题为“Autonomous inverse encoding guides 4D nanoprinting for highly programmable shape morphing”的研究论文，提出了一种自主逆向编码策略，用于4D纳米打印逆向设计，实现了高度可编程的形状变形。文章第一作者为上海交通大学电子信息与电气工程学院硕士研究生任帅旗。

研究背景

4D打印的核心在于纳米级的3D结构设计和材料属性的可编程分布。传统的4D打印依赖于研究人员的手动设计，但随着目标形状复杂度的增加，人为设计的难度也急剧上升。特别是对于具有连续变化曲率的形状，人为设计几乎变得不可能。为此，研究团队提出了一种自主逆向编码策略，通过结合遗传算法（GA）和神经网络（NN），实现了从目标形状到材料分布的编码自动求解，从而大大降低了4D打印的设计难度。图1展现了逆向编码设计4D纳米打印的整体框架。

图1. 逆向编码设计4D纳米打印的整体框架

技术亮点

1. 自主逆向编码策略：

研究团队提出了一种基于神经网络的形状预测网络（SPN），能够快速预测特定材料编码下的形变行为。结合遗传算法，SPN能够从海量设计空间中高效解码出最优的材料分布编码，从而实现任意形状的形变。图2阐明了基于形状预测神经网络辅助的遗传算法求解编码过程。

图2.基于形状预测神经网络辅助的遗传算法求解编码过程

2. 飞秒激光编码：

通过飞秒激光双光子聚合（TPP）技术，研究团队能够在纳米尺度上调控每个体素的激光功率，从而实现对材料属性的空间编程。这种编码方式使得打印结构能够在外部刺激下实现精确的形变。

3. 高度可编程的形变：

研究团队通过实验验证了该技术的有效性。他们使用手绘线条作为目标形状，经过逆编码后，4D打印的结构能够在刺激下准确变形为目标形状。此外，他们还设计了一种柔性纤维微操纵器，能够通过预编程的形变接近目标区域，展示了该技术在微创手术中的潜在应用（图3）。

图3.微型介入器械末端柔性微操作器形变的定制化设计

应用前景

这项技术的突破为4D打印在多个领域的应用打开了新的大门：

- 微流体：通过精确控制微流道结构的形变，实现更高效的流体操控。

- 微机器人：设计出能够根据环境变化自主变形的微型机器人，执行复杂任务。

- 微创手术：开发出能够在体内自主变形的微创手术工具，减少手术创伤。

- 组织工程：构建能够随生物环境变化而调整形状的组织支架，促进组织再生。

未来展望

随着更多高效算法的引入，这项技术有望进一步扩展到三维空间的设计。未来，研究人员将继续探索在三维空间中的形变设计，实现更复杂的定制化形状变化，如不同螺距和半径的螺旋结构。这将为4D打印技术在更多领域的应用提供无限可能。

结语

自主逆向编码辅助的4D纳米打印技术不仅大大简化了复杂形状的设计过程，还为微纳米结构的形变控制提供了全新的解决方案。这项技术的成功应用，将推动4D打印在微机器人、微操纵工具和组织工程等领域的广泛应用，开启智能设计制造的新篇章。

参考文献：

Ren, S., Zhang, Z., He, R., et al. (2025). Autonomous inverse encoding guides 4D nanoprinting for highly programmable shape morphing. International Journal of Extreme Manufacturing, 7, 035502.

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！