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

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

▌ 三维科学 l 无限可能

投稿 丨daisylinzhu 微信

2509957133@qq.com 编辑邮箱

www.3dsciencevalley.com