清华大学AM：异质集成——空间可编程液晶弹性体的设计原则

液晶弹性体（LCE）融合了液晶的各向异性与橡胶的弹性，是软体驱动器的核心材料。随着该领域从实验室演示迈向软体机器人和生物医学器件的实际应用，其研究重心正从简单的均匀变形转向空间可编程特性与集成功能。然而，面对这一快速发展，领域内迫切需要一套清晰的概念框架来理解当前技术水平并指导未来。

近日，清华大学吉岩副教授、何恩健博士合作发表综述论文，提出异质集成是这些进展背后的核心设计原则，为下一代智能LCE系统的理性设计建立了连贯的概念蓝图。论文指出，异质集成被定义为在统一的LCE系统中有意地空间设计化学、结构或取向差异，从而实现对差异化驱动方向、机械梯度和顺序响应性的精确编程，这是均质LCE无法实现的。该综述将众多成果归纳为三个层级策略：取向异质性、聚合物网络架构异质性和异质模块化组装。文章还勾勒了从离散图案到连续梯度、从单维到多维集成、从静态编程到自适应演化的未来方向。相关论文以“Heterogeneous Integration: Design Principles for Advanced Liquid Crystal Elastomers With Spatially Programmable Properties and Functionalities”为题，发表在Advanced Materials上。

取向异质性：仅编程指向矢，不改变网络化学

取向异质性仅改变局部指向矢场，不改变网络化学或拓扑结构，因此支持图案化光学显示和形状变形等功能。实现路径可归纳为图案化模板（图1a）、时空可编程外场（图1b）和剪切诱导异质性（图1c）三条。

图1实现介晶取向异质性的策略示意图。（a）图案化模板，通过i.光取向或ii.拓扑模板实现。（b）时空可编程外场，包括时间可编程热场和空间可编程磁场与电场。（c）通过DIW实现的剪切诱导异质性，通过路径编程设计或参数编码打印实现。

图案化模板中，光取向通过偏振光下的角度依赖性光反应印刻预设指向矢图案，拓扑模板则提供更稳健的环境稳定性和抗光疲劳能力。该策略已从连续图案化演进到数字控制的体素级编程——每个体素的指向矢取向可独立编程（图2a），体积小至0.0005 mm³，使单一化学均质薄膜中可共存软弹性和常规弹性区域。等离激元光取向进一步将最小像素缩小至约4.5×4.5 μm。拓扑模板方面，+1和−1指向矢图案及互锁环阵列的2P-DLW几何结构（图2b）、混合表面诱导取向的水弹基地驱动器（图2c）、等离子体图案化CNT片材实现的局部光热驱动（图2d）、以及自组装PS胶体模板热压印产生的图案化光子驱动器（图2e），共同构成了这一策略的完整技术图景。

图2用于异质介晶取向的图案化模板。（a）体素化LCE薄膜，在正交偏振片之间观察到的3×3 +1拓扑缺陷阵列。每个缺陷周围的方位角指向矢变化。（b）+1（左）、−1（中）指向矢图案和互锁环阵列（右）的2P-DLW几何结构，以及相应的形貌轮廓。（c）混合表面诱导取向。水弹基地驱动器的应变模拟和照片，从平面片演变为各种三维形状。（d）通过等离子体图案化CNT片材的拓扑模板，实现局部光热驱动。（e）自组装PS胶体模板的热压印，产生图案化光子驱动器，在不同视角下显示颜色变化。

时空可编程外场中，热场操作最简单，直接利用LCE固有相变行为编码异质性，但其方向无关性使其无法提供确定性矢量控制（图3）。磁场则能同时编程介晶是否取向及其方向：从早期模具基径向磁场制造仿生人工虹膜，到与DLP集成实现层间异质性（图4a），再到混合磁装置实时调制三维场方向和多极模式（图4b），最新进展已将分辨率推至体素级——在单层打印中依次施加不同磁场取向并投影对应光掩模，将多个单畴集成于同一层内（图4c）。电场则通过介电各向异性实现亚毫秒响应和高分辨率空间寻址，交流电场下可自发组织成交替拓扑缺陷周期阵列（图4d），结合双光子聚合更实现了亚微米体素级三维编程（图4e）。

图3用于光学和机械异质性的时间编程热场。（a）在等向相中进行掩模光聚合，随后进行无掩模向列态固化，产生图案化等向成因（IG）和向列成因（NG）域，实现光学图案显示和机械异质性集成。（b）加热DLP 3D打印与灰度照射：更高温度和剂量产生有序（透明）区域。（c）更低温度和剂量产生更无序（不透明）区域。以及基于体素的设计演示，用于纤维复合结构，其特征在于嵌入结晶基质中的非晶增韧元件。

图4用于光学、机械和驱动异质性的非均匀磁场（B）或电场（E）。（a）Halbach阵列磁取向单元示意图。（b）集成到DLP打印机中的混合磁装置，结合用于面内场控制的嵌套Halbach阵列和用于垂直场调制的同轴线圈。三种打印架构（十字、Y形和六足）编码不同的磁模式。（c）带有可旋转Halbach阵列的DLP平台：层间旋转槽和阵列绕Z轴，结合投影掩模，在单打印层内创建独立取向域（以45°旋转为例），实现二维LCE结构的可调驱动。（d）通过交流电场在LCN中制造的均匀排列周期缺陷结构。他们实现了异质纹理和模量。（e）通过准静态电场结合双光子聚合的三维指向矢编程。

剪切诱导异质性将作用单元从单个介晶提升到整个聚合物链。DIW打印中，喷嘴内剪切和拉伸流使链沿打印路径取向：早期平面打印路径设计（图5a）到旋转芯轴上的管状取向（图5b），再到六轴机械臂在任意不可展曲面上的共形打印（图5c）。打印参数编码则证明仅改变打印速度即可产生驱动应变梯度（图6a），核-壳结构模型合理解释了参数诱导异质性的机制（图6c）。DLP中的剪切异质性通过刮刀运动在树脂层内产生受控剪切流（图7a），可编程移动刮刀更将取向提升到逆向设计水平（图7b）。

图5通过打印路径设计的DIW取向图案化。（a）用于非均匀驱动的早期平面打印路径设计。（b）在旋转基板上打印LC墨水的示意图。可以实现具有纵向取向和周向取向的LCE管，并且通过组装各种旋转打印路径取向可以执行复杂运动。（c）机器人共形DIW装置在环面上打印单向和轮廓平行路径，以及在半球上打印六角星，显示三维到二维的形状转变。

图6通过DIW工艺参数编码异质性。（a）通过路径几何设计和打印速度分布编程的各种形状变形图案。（b）打印速度和气压对驱动应变的影响，以及自维持向前爬行LCE软机器人的结构设计。（c）系统参数研究，显示加热喷嘴（温度T、内径d）、打印速度V和喷嘴-基板距离h，以及不同条件下打印的LCE片材的光学图像和最大驱动应变，以及具有功能梯度架构的主动变形盘。

图7通过DLP的剪切诱导异质性。（a）展示树脂槽的循环旋转在DLP过程中剪切树脂分子，相应的软爬行器在棘轮表面上移动。（b）逆向设计将目标三维面部变形映射到打印参数，LCE的序参数在不同制造条件下相应变化。

然而，取向异质性固有地受厚度限制，且因网络化学均匀，机械性能和热转变变化很小，对驱动幅度和响应阈值的控制有限。这一局限促使研究者将异质性从取向层面推进到更深的网络架构层面。

网络架构异质性：同时编程机械性能与相行为

网络架构异质性在更深层次操作，同时支配每个区域的机械特征和热力学相行为（图8）。后处理均质网络中，局部二次聚合通过保留未反应官能团并空间限制激活，在处理和未处理域间建立永久交联密度梯度（图9a–e）。外来反应性添加剂则通过选择性输注外源活性组分，构建互穿网络或配位交联，掺入与初级聚合化学不相容的功能组分（图10a–d）。局部动态键交换则赋予材料可重构性：该团队2014年将动态酯键引入LCE，使单一部件可通过受控网络连接交换访问多种驱动模态。光激活策略利用光热转换剂、光敏动态键或光潜伏催化剂实现高空间精度编程（图11a–d）；热处理则通过图案化加热膜或热潜伏催化剂实现区域选择性激活（图12a–c）。

图8工程化聚合物网络架构异质性的策略示意图。（a）均质LCE网络的后处理，通过局部二次聚合或空间动态键交换引入空间变化。（b）LCE合成过程中的过程中策略，通过梯度聚合或通过正交和顺序聚合反应直接在网络形成期间编码网络异质性，实现对网络拓扑和组成的空间控制。

图9通过内在未反应基团的局部二次聚合。（a）含有未反应丙烯酸酯的均质LCE的二次交联。（b）光掩模引导的局部UV曝光富丙烯酸酯LCE网络，用于可编程异质机械性能和光学图案。（c）局部可编程异质驱动。（d）DIW与过量丙烯酸酯的过度固化使单一结构具有多种驱动模式。（e）正交化学与DLP结合允许灵活的3D架构与复杂驱动控制。

图10通过外来反应性添加剂的局部二次聚合。（a）由受控自由基扩散驱动的变形-去策略。（b）金属离子的局部输注形成配位交联，用于动态和机械异质性。（c）功能分子的局部后溶胀实现异质光响应驱动。（d）机械自由基诱导聚合赋予训练和学习行为，朝向多种功能。

图11通过光激活的局部动态键交换。（a）CNT嵌入xLCE的局部光控制，实现多种不同的重构模式。（b）激光诱导烯丙基硫键动态交换用于LCE的相图案化。（c）退火和光诱导-光擦除循环用于切换驱动模式和编程空间编码的顺序变形，通过动态双网络LCE的可重编程变形演示。（d）PBG触发的TBD释放，通过芳香酯的异裂反应实现LCE网络的局部再编程。

图12通过热和溶剂激活的局部动态键交换。（a）退火调制的局部等向相变温度用于热图案化光学显示。（b）含有热潜伏催化剂的LCE的局部加热，赋予空间动态交换。（c）用含催化剂的溶剂局部溶胀以刷新自生长行为。

与后处理策略不同，合成过程中的异质性直接在网络形成时编码（图8b）。梯度聚合利用紫外光衰减或梯度曝光产生连续交联密度变化（图13a–c），正交和顺序聚合则通过两种独立反应化学构建微相分离架构（图13d），双波长光图案化策略更实现两区域等向相变温度差高达55°C的精确集成（图13e）。至此，异质性已从单一材料的内部编程，进一步走向宏观模块的集成。

图13通过梯度或正交和顺序聚合的过程中异质性。（a）在光掩模下通过单侧和双侧UV照射制造的图案化LCE薄膜。（b）通过DLP光衰减产生的贯穿厚度交联密度梯度。（c）在不同掩模处理下LCE表面上的原位相分离，以及在不同拉伸状态下的相应防伪图案。（d）通过光-热与热-光顺序聚合控制的网络拓扑。（e）基于传统硫醇-丙烯酸酯基LCE配方中选择性聚合途径的双波长光图案化策略。

异质模块化组装：从材料内部走向系统集成

异质模块化组装将离散功能模块集成为宏观复合系统（图14）。层间异质组装中，相邻层的热膨胀、取向、模量或相变温度失配驱动复杂面外变形（图15a–d）。面内异质组装则通过化学焊接将化学不同的LCE域连接为统一平面构造（图16a–c），多筒DIW实现不同配方墨水的空间编程沉积（图17a–c），多丝编织通过物理缠结和拓扑互锁将轴向收缩转化为多样化三维变形（图17d–e）。

图14实现异质模块化组装的策略示意图。（a）层间异质组装，通过固有响应失配或功能层依赖驱动实现。（b）面内异质组装，通过化学键合、多筒DIW和多丝编织实现。

图15不同模块的层间异质组装。（a）用于可重构LCE驱动器的近红外辅助层间组装的示意图。（b）具有不同预应变方向（蓝色箭头）和分子取向（红色箭头）的图案化2D前驱体产生多曲面3D LCE结构和可逆3D到3D形状变换。（c）具有双通道加热电路图案设计的双金属片驱动器：加热前后的照片，重叠的运动历史，以及爬行过程中遇到障碍物的示意图。（d）LCE-LM层间复合材料的制造，通过设计的LM图案编程驱动。

图16用于面内异质组装的LCE模块的化学焊接。（a）通过双键热聚合的LCE无缝焊接。（b）具有不同Fe₃O₄含量的聚氨酯LCE的磁热焊接，实现磁驱动顺序动作。（c）混合动态键交换，将不同的xLCE焊接成复杂的仿生异质驱动器。

图17通过多筒DIW和多丝编织的面内异质组装。（a）打印LCE晶格。使用两种具有不同等向相变温度的LCE墨水进行三角形异质晶格的多筒DIW，以及逆向设计的分段晶格架构。（b）结合LCE活性铰链和由刚性结构聚合物墨水打印的被动面板的软机器人物质的DIW。（c）嵌入打印LCE铰链中的柔性印刷电路板作为结构层，为单个铰链驱动和可编程自折叠提供集成焦耳加热。（d）平针和反针线圈拓扑及其不同的热驱动响应。（e）由LCE纤维（含或不含光热染料）和商用棉纱组成的多材料针织纺织品。

最后，论文指出异质集成构成了LCE走向空间可编程特性和功能的核心设计原则。当前仍面临界面完整性、无界面设计和连续梯度制造等挑战。未来，将机器学习与多物理场模拟集成，实现从功能到结构的逆向设计，并推动自动化机器人制造平台的融合，有望创建能够感知、学习和适应的智能软物质，催化软体机器人、自适应医疗设备和人机交互系统的突破。

图18LCE异质集成展望的示意图。