中科院理化所王树涛研究员AM：受松果启发！可编程双轴滚动凝胶问世，实现复杂三维形变

可控形变材料在软体机器人、柔性电子和智能医疗等领域展现出广阔的应用前景。自然界，如松果鳞片、种子荚和小麦芒，为设计这类材料提供了丰富灵感。这些生物结构能在环境湿度变化下发生弯曲或扭转，源于其内部非均匀结构在外界刺激下产生的应力差异。尽管研究人员已探索了双层、梯度、图案化等多种非均匀结构来实现形状变化，但在平面凝胶片中实现可控方向与曲率的双轴滚动，仍是一个关键挑战。

近日，中国科学院理化技术研究所王树涛研究员、张飞龙研究员团队从松果鳞片的吸湿异质结构中获取灵感，成功研制出一种正弦图案化的水凝胶-半嵌入-有机凝胶片材。该材料通过独特的“浸润诱导三维界面聚合”策略制备。研究团队利用正弦图案作为可编程的几何模板，在空间上重新分布各向异性应力，从而实现了双轴形变以及对纵向和横向曲率的精确调控。其中，半嵌入异质结构为有机凝胶提供了额外的压缩力，克服了传统各向同性应力的局限。这项研究开创了一种违反直觉且可编程的复杂三维结构形变新机制，为新型软体执行器的发展提供了新视角。相关论文以“Bioinspired Programmable Biaxial Rolling Gel Sheets for Complex 3D Morphing”为题，发表在

Advanced Materials

受松果维管束中弹簧微管与方形微管的吸湿应变差异启发，研究团队将这种螺旋弹簧/方形的几何结构转化为平面上的正弦图案。图1展示了这一仿生设计理念：松果的微观结构被转化为由水凝胶和有机凝胶构成的正弦图案化半嵌入异质结构。当水凝胶吸水膨胀时，它不仅会在界面处产生拉伸应力，还会对周围的有机凝胶施加压缩力。这两种力的协同作用，使得材料能够实现超越单向弯曲的双轴形变。通过调整正弦图案的参数（如波长、线宽），可以精确调控其纵向滚动或横向滚动的曲率。

图1：受松果启发的正弦图案化HSEO片材的仿生设计概念。 (a) 整个松果、鳞片和维管束的光学图像；两种维管束微管（方形微管和弹簧微管）的扫描电子显微镜图像。 (b) 将弹簧/方形结构转化为正弦/矩形图案的示意图，以及由水凝胶膨胀引起的对有机凝胶的压缩力和界面拉伸应力。 (c) 纵向滚动和横向滚动的示意图及光学图像。

研究团队通过“浸润诱导三维界面聚合”策略成功制备了这种正弦图案化凝胶片材。如图2所示，亲水的水凝胶前驱体溶液优先占据经过超亲水处理的图案区域，随后注入疏水的有机凝胶前驱体，经紫外光聚合后，形成了水凝胶区域（蓝色）半嵌入有机凝胶基体（透明）的稳定异质结构。截面扫描电镜图像显示，多孔的水凝胶网络与致密无孔的有机凝胶无缝结合。该材料在不同溶剂中表现出显著差异的溶胀行为，例如在水中，水凝胶体积大幅膨胀，而有机凝胶保持不变，这种溶胀差异是驱动形变的基础。

图2：正弦图案化HSEO片材的制备与表征。 (a) 通过WET-DIP策略制备正弦图案化HSEO片材的示意图。 (b) 制备的正弦图案化HSEO片材的光学图像（上）和截面光学图像（下）。 (c) 正弦图案化HSEO片材的水凝胶与有机凝胶边界的截面SEM图像，以及水凝胶区域和有机凝胶区域的对应水接触角。 (d) 在不同溶剂中浸泡后的体积变化（蓝色柱代表水凝胶，橙色柱代表有机凝胶）。

那么，正弦图案的参数如何影响最终的形变呢？图3系统地展示了波长、线宽、水凝胶含量以及有机凝胶基底尺寸变化对形变的影响。研究发现，纵向滚动曲率随波长增加而减小；线宽的增加则会增强横向滚动，并在超过一定值后抑制纵向滚动。此外，通过有目的地改变有机凝胶基底的宽度或长度，可以主动抑制或释放特定方向的约束，从而实现对两种曲率大小的精细调控。这些实验结果与有限元分析的结果高度一致，证实了通过参数化设计实现可编程双轴曲率控制的可行性。

图3：不同正弦图案参数对正弦图案化HSEO片材形状变形的影响。 (a) 正弦图案化HSEO片材中的参数及滚动方向示意图。 (b) 纵向和横向曲率随波长的变化。 (c) 曲率随线宽的变化。 (d) 纵向曲率随波长和线宽的变化。 (e) 曲率随水凝胶含量的变化。 (f) 曲率随ΔD（有机凝胶宽度变化）的变化。 (g) 曲率随ΔL（有机凝胶长度变化）的变化。

基于上述精确的曲率控制能力，研究团队通过设计组合式的正弦图案，实现了从二维平面片材到复杂三维结构的可编程转变。图4展示了通过在同一片材的不同区域设置不同线宽，成功诱导出船形、碗形、带状及双卷形等多种三维构型。更进一步，图5中的希腊十字形凝胶片，通过为四个“花瓣”分配不同的波长、线宽、水凝胶含量或基底约束参数，能够变形成具有不同曲率“花瓣”的花朵状结构，充分体现了该平台在制造复杂、定制化三维形状方面的强大能力。

图4：通过正弦图案调制的可编程复杂形状变形。 (a-d) 具有中心区域与边缘区域不同线宽的正弦图案化HSEO片材的示意图和光学图像。

图5：通过正弦图案参数调制的可编程复杂3D形状变形。 (a-d) 具有不同正弦图案参数（包括波长、线宽、水凝胶含量和有机凝胶约束）的HSEO希腊十字形片材的示意图和光学图像。

这种独特的形变行为不仅源于正弦图案，还得益于半嵌入结构本身。图6对比了传统凸起结构与半嵌入结构的异质凝胶条带片材。令人意外的是，在水凝胶吸水膨胀后，凸起结构沿着条带方向弯曲，而半嵌入结构却垂直于条带方向弯曲。有限元分析揭示了内在机理：在半嵌入结构中，水凝胶膨胀产生的、垂直于条带方向的界面拉伸应力主导了弯曲方向，这与传统凸起结构主要受平行于界面的应力驱动截然不同。

图6：半嵌入结构与凸起结构异质凝胶片材的形状变形行为比较。 (a) 具有矩形条带的异质凝胶俯视图示意图，以及半嵌入结构和凸起结构的截面图。 (b) 制备的2D半嵌入结构和凸起结构凝胶片的光学图像。 (c) 在水中变形后半嵌入结构和凸起结构凝胶片的光学图像。 (d) 变形后半嵌入结构和凸起结构凝胶片的3D有限元分析可视化结果。 (e,f) 由有限元分析支持的半嵌入结构和凸起结构凝胶片的应力场及力分布矢量图。

这项研究成功将松果的吸湿异质结构灵感转化为一种平面正弦图案化的凝胶材料，通过结合界面拉伸应力与压缩力，实现了滚动方向与曲率的双重可编程控制。该工作不仅为探索凝胶材料形变的多样性提供了新视角，更开辟了一条使软材料从二维图案化片材向三维复杂结构转变的创新策略，有望在未来软体机器人、自适应结构和生物医学器件等领域发挥重要作用。