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用半色调“打印”未来:单材料智能皮肤为软体机器人打开新路径

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章鱼等头足类动物拥有令人惊叹的伪装能力,它们可以瞬间改变皮肤的颜色、图案和纹理,甚至改变身体形状来融入环境。

近日,宾夕法尼亚州立大学等团队受章鱼、乌贼等头足类动物动态伪装机制的启发,提出一种半色调编码4D打印技术。仅通过一种水凝胶材料,即可在环境刺激下同步调控其光学外观、机械性能、表面纹理与三维形态,实现了以往多材料系统才能完成的多功能集成。

这项技术利用打印过程中的曝光差异,在材料中构建“0”与“1”两种交联程度的微区,通过图案化布局赋予材料可编程的响应行为。它不仅能够隐藏与显示高分辨率图像,还可实现力学信息的“加密”,并在变形为复杂三维结构的同时呈现预设的表面纹理。

这一成果标志着单一材料系统向仿生多功能集成的重要突破,为自适应伪装、软体机器人及动态信息加密等领域提供了全新的技术路径。相关研究成果发表于《自然·通讯》期刊,本期谷·专栏将进行简要分享。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-025-65378-8


全文速览

本研究提出了一种创新的“半色调编码”策略。研究人员利用DLP 3D打印机,在光敏水凝胶(PNIPAm)中打印出由高度交联("1")和轻度交联("0")微区组成的二进制图案。利用这两种微区在溶剂和温度刺激下的不同响应,成功在单一材料中实现了类似章鱼皮肤的多功能性:光学伪装、力学编程以及形状变形。

01 仿生灵感与设计理念

图1. 仿生多功能智能水凝胶皮肤的设计理念

图1 展示了研究的生物学灵感来源及核心设计思路。

  • 生物原型 (Fig. 1a): 头足类动物(如章鱼)的皮肤是一个复杂的神经肌肉系统。

    变色: 通过肌肉拉伸色素囊(Chromatophores)。

    变纹理: 通过肌肉收缩形成突起(Papillae)。

    变形状: 利用肌肉静水骨骼改变身体姿态。

  • 人工实现 (Fig. 1b):

    半色调编码: 利用DLP打印机的像素化特性,将图案离散为二进制的“0”(黑色像素)和“1”(白色像素)。

    微观调控: “0”对应短曝光时间(轻度交联),“1”对应长曝光时间(高度交联)。

    多功能响应: 通过排列这些微区,可以同时控制材料的光学透光率(隐身/显示)、机械模量(软/硬)以及局部收缩率(2D转3D变形)。

02 材料微观机理

图2. 水凝胶薄膜在不同刺激下的光学与微观结构变化

为了理解宏观性能的来源,研究团队深入分析了材料的微观结构。

  • 光学响应 (Fig. 2a):

    在25°C水中(溶胀态),无论是轻度交联(50s曝光)还是高度交联(120s曝光)的水凝胶都是半透明的。

    在35°C水中(失水收缩态), 轻度交联区域 变为不透明的白色,而 高度交联区域 保持透明。这是实现黑白对比图案的基础。

  • 微观机理 (Fig. 2c-f): SEM图像揭示了原因。

    轻度交联的水凝胶网络较松散,失水后形成大的孔隙,产生强烈的 光散射 (变白)。

    高度交联的水凝胶网络致密,失水后依然致密无孔,光线可以直接穿过(透明)。

  • 溶剂响应 (Fig. 2b, g-j): 利用 共溶性(Cononsolvency) 效应,在乙醇-水混合溶剂中也能诱导类似的相分离和光学变化。

03 信息加密

图3. 动态信息加密与解密演示

利用上述光学特性,团队展示了高分辨率的信息隐藏技术。

  • 半色调算法 (Fig. 3a-b): 引入调频(FM)和调幅(AM)算法,将连续灰度的《蒙娜丽莎》画像转换为由黑白像素点组成的半色调图案(G0-G9灰度级)。

  • 隐身与显形 (Fig. 3g):

    加密(隐身): 在乙醇或低温水中,整个薄膜呈现均匀的透明或半透明状态,图案完全不可见。

    解密(显形): 当放入冰水或加热至35°C时,由于不同微区的光散射差异,原本隐藏的《蒙娜丽莎》逐渐浮现,细节清晰可见。这是一个可逆的动态过程。

04 力学编程

图4. 半色调图案调控的力学应变映射

除了光学信息,半色调图案还能“编程”材料的力学行为。

  • 各向异性 (Fig. 4a-c): 不同的半色调图案排列方向(0°、45°、90°)会赋予材料不同的拉伸性能。

  • 应变加密 (Fig. 4e-h):

    在光学隐身状态下,肉眼看不出任何图案。 但是,当对材料施加拉伸时,由于“0”域和“1”域的硬度不同(模量差异约3倍),局部应变会发生变化。利用数字图像相关(DIC)技术,可以在 应变云图 中清晰地看到隐藏的字母“PSU”。 这提供了一种比光学加密更高级的手段: 只有在特定拉伸状态下,信息才会显现。

05 进阶展示

图5. 多层级信息加密与解密

这一部分展示了光学和力学信息的深度融合。

  • 方向相关性 (Fig. 5a-l): 展示了不同方向排列的半色调图案在拉伸时的应变响应差异。

  • 双重加密 (Fig. 5p-q): 在同一张薄膜中,利用水平排列的图案编码《蒙娜丽莎》(光学可见),同时在其中嵌入对角线排列的图案编码字母“M”。

    在光学模式下,只能看到《蒙娜丽莎》,字母“M”是隐形的。

    在拉伸模式下(查看应变云图),字母“M”清晰浮现。这种 “图中有字” 的多层加密技术极具应用潜力。

06 终极形态

图6. 光学外观、形状和表面纹理的同步控制

最后,团队展示了如何实现类似章鱼的“全能”伪装。

  • 形状编程 (Fig. 6a-d):

    由于轻度交联区域收缩率大,高度交联区域收缩率小,通过在平面内设计灰度梯度(即收缩率梯度),可以驱动薄膜在加热时自动卷曲成预设的3D形状。

    成功演示了从平面变身为 球冠(Spherical cap) 和 马鞍面(Saddle) 。

  • 多功能协同 (Fig. 6e-h): 在变形为3D形状的同时,表面浮现出预设的字母或图案。

  • 仿生纹理 (Fig. 6i-l): 通过精细的图案设计,甚至能在表面生成类似章鱼皮肤的 突起(Papillae) 纹理。这标志着在一个单一材料系统中,同时实现了 变色、变形、变纹理 的三重仿生功能。

总结

这项工作通过图1的仿生设计,图2的材料机理,图3的光学应用,图4-5的力学编程,最终在图6中实现了集大成的多功能演示。这种半色调编码4D打印技术,无需复杂的组装和多材料打印,仅凭单一水凝胶就实现了高度复杂的智能响应,为未来的软体机器人、防伪标签和生物医学器件提供了极具价值的制造方案。

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投稿 丨daisylinzhu 微信

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