科学家突破介电弹性体4D打印技术，实现宏观材料七十二变

近日，宁夏大学教授冒杰和团队发明了一种通过剪切辅助 4D 打印制造的特殊材料，它的名字叫做介电液晶弹性体，它能像肌肉一样在电场的指挥之下，精确、快速地变换成为各种复杂的三维形状，并且还能变回原样，打破了传统上认为介电弹性体只能做简单变形的认知。这项技术将能为未来的软体机器人、生物医疗和自适应系统打开全新的大门。

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

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他告诉 DeepTech：“我们这项技术最大的特点，是实现了复杂形变的按需编程与快速电控响应，为未来智能柔性器件的发展提供了一种全新的材料和制造思路。”

首先，他和团队首次实现了一种时空可编程（即在时间和空间上都能对力学性能进行编程）的、基于数字光处理的高精度介电弹性体材料打印，并以此实现了从 2D 到 3D 的复杂变形。

更重要的是，他们不仅仅是正向设计即设计一个结构然后打印出来让它变形，还实现了一套逆向设计方案。也就是说，如果你有一个想要的变形目标形状，他们的计算机程序可以自动计算出并输出所需的打印指令，直接帮你把这个能变形成目标形状的器件做出来。

图 | 冒杰（来源：冒杰）

谈到应用前景，冒杰表示这项技术潜力很大。

例如在交互体验方面，未来的虚拟现实或增强现实中，或许不再只是看到图像，还能通过这种可变形的表面触摸到虚拟物体的形状，比如一个苹果的圆润感实现远程触觉反馈。

在可穿戴设备与生物适配领域，人体或生物体的构造复杂多变，本次技术可以制造出能高度贴合这些复杂形变的柔性器件，实现更好的穿戴舒适度和功能性贴合。

在微流控与液体操控方面，通过电控方式精细改变材料表面形貌，可以像操纵地形一样控制液体的流动、混合与输运。

该团队所展示的黄河地图变形，其背后就蕴含着通过设计表面图案来控制液体流向的理念。这在化工混合、危险化学品处理或生物检测等领域可能有重要应用。

在航空与流体动力学领域，一个关键方向是研发可变形的机翼。目前的飞机机翼形状是固定的，升力也相对固定。但在不同飞行条件下，如起降或遇到风雨时，若能实时改变机翼表面形状，就能优化升力、降低阻力。“我们的这种电响应材料，就有潜力用于制造这类智能蒙皮。”冒杰表示。

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

材料的变形记

这款材料的核心秘密，藏在一种名为液晶弹性体的物质里。对于液晶我们都不陌生，手机和电视的屏幕就用到了它。液晶分子在正常情况下排列整齐，像一队训练有素的士兵。而在这项研究之中，该团队巧妙地使用一种特殊的 3D 打印技术（他们称之为 4D 打印，因为打印出来的物体能在特定刺激之下随时间变形），从在可以在材料内部编程，控制液晶分子的排列方向。

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

这款打印机有一个可以移动的刮刀。在打印每一层材料的时候，刮刀移动产生的剪切力就像一把分子梳子，能让液晶分子朝着特定方向乖乖站队。随后，紫外线立刻就可以照射，将这些排列好的分子冻结固定住。通过控制刮刀的速度和高度，就能在不同区域之内制造出不同方向的分子排列图案。

这为什么重要呢？因为材料的软硬程度会随着分子排列的方向变化。沿着分子排列方向，材料比较硬，不容易拉伸；垂直于这个方向，材料则会比较软。这样，就能在一张薄薄的材料片上，制造出精细的软硬梯度地图。

当给材料两面贴上电极并通电的时候，电场会产生一种叫做麦克斯韦应力的力来挤压材料。由于不同区域软硬不同，它们被挤压收缩的程度也不同，这种步调不一致就导致了整张材料发生弯曲、扭转等复杂的立体变形。就像我们在折纸的时候，在不同位置预先折出不同的折痕，一推就能变成千纸鹤一样，本次团队则是在微观分子层面折出了隐形的折痕。

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

随心所欲的变形秀

利用这个原理，研究团队像搭积木一样，设计出了各种变形结构。

首先是最基本的弯曲单元。他们将一层软区域和一层硬区域像三明治一样结合在一起。一通电，两层由于收缩不一致，整个结构就会弯起来，响应速度快达 0.17 秒，比眨眼还快。

接着是更复杂的变形。将多个弯曲单元组合，他们让材料变成了会扭动的麻花、能开合的金字塔、含苞待放的花朵，甚至一个个能独立遥控叶片转动的风车。这些变形都是完全可逆的，断电之后材料瞬间就会恢复平整。

他们还成功挑战了非展曲面的变形。什么是非展曲面？像纸这样的平面，我们可以把它弯成圆柱或者圆锥，这就是展曲面。但是，无法不拉伸或撕裂就把它变成一个球面或者马鞍面这就是非展曲面。通过更加精密的区域编程，研究团队让他们的材料片在电场下，鼓成了球形的正高斯曲面或者凹陷成为马鞍形的负高斯曲面，甚至可以编程出来多层蛋糕和涟漪般起伏的复杂地形。

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

“基于这项成果，我们后续的研究计划包括：对液晶弹性体进行进一步的功能化，例如加入变色或自修复能力；推动器件走向实际应用，比如深入探索可变性机翼蒙皮、AR/VR 触觉界面、以及用于声学降噪或声波调控的可变形表面等方向。同时，我们也在致力于进一步提升材料本身的机电性能。”冒杰表示。

参考资料：

相关论文https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289

排版：刘雅坤