高可编程 4D 打印多形状梯度超材料及多功能器件

来源：EFL生物3D打印与生物制造

超材料因具有天然材料所不具备的优异物理特性，在柔性电子、航空航天和生物医学等领域展现出巨大应用潜力，但当前大多为单一材料的均质周期性结构，其构型和力学性能设计性有限，且力学性能固定，缺乏可编程调控能力，严重限制了应用范围。此外，形状记忆聚合物（SMPs）作为一类刺激响应智能材料，通常为单一刺激响应且仅具有单一临时形状，难以满足当前对多功能性和智能化日益增长的需求。  

来自哈尔滨工业大学刘彦菊教授、林程副研究员团队开发了热响应、光响应、电响应和磁响应的形状记忆聚合物纳米复合材料，利用多材料4D打印技术制备了形状记忆梯度超材料，系统分析了多响应梯度超材料设计参数与力学性能的关联机制，实现了梯度超材料高度可设计和可编程的构型与力学性能，相关工作以《Highly programmable 4D printed multi-shape gradient metamaterials and multifunctional devices》为题发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上。

研究内容
1. 4D打印多形状梯度超材料的设计原理与应用示意图，通过构建示意图的方法，研究了4D打印多形状梯度超材料的设计原理及其在智能信息载体和智能柔性机器人系统中的应用。结果表明，该超材料通过整合热、光、电、磁响应的形状记忆聚合物纳米复合材料，实现了多形状记忆效应和时空可控的选择性驱动，为多功能器件开发提供了新思路。

图1. 4D打印多形状梯度超材料的设计原理与应用示意图。  

2. 多响应4D打印形状记忆复合材料的制备与表征图，通过实验制备与表征分析的方法，研究了光响应、电响应、磁响应和热响应的形状记忆复合材料的制备过程及其性能。结果显示，添加碳纳米管、炭黑和四氧化三铁等功能填料可改善复合材料的结晶度、热性能和力学性能，且各复合材料具有不同的玻璃化转变温度和微观形貌。

图2. 多响应4D打印形状记忆复合材料的制备与表征图。  

3. 4D打印形状记忆复合材料的可编程刺激响应性图，通过实验验证的方法，研究了4D打印形状记忆复合材料在光、电、磁等刺激下的可编程形状记忆性能及选择性驱动能力。结果表明，复合材料可实现快速、高效的形状恢复，且通过多材料组合能实现时空选择性驱动，如光/热双刺激下不同区域的独立响应。

图3. 4D打印形状记忆复合材料的可编程刺激响应性图。  

4. 四韧带梯度超材料的结构设计图，通过结构设计与参数分析的方法，研究了四韧带梯度超材料的几何参数、韧带构型、节点配置及嵌套结构的设计。结果显示，通过调整韧带角度、节点大小等参数可实现超材料力学性能的调控，如韧带角度影响拉伸强度和断裂伸长率，嵌套结构可显著提高强度。

图4. 四韧带梯度超材料的结构设计图。  

5. 梯度超材料的高可编程力学性能图，通过力学性能测试与分析的方法，研究了四韧带梯度超材料在不同刺激下的力学性能变化及可编程机制。结果表明，超材料的力学性能可通过选择性驱动实现灵活调控，如从初始形状到临时形状的转变可使拉伸强度显著提高，且韧带角度差、节点大小等因素影响性能变化幅度。

图5. 梯度超材料的高可编程力学性能图。  

6. 六韧带梯度超材料的结构设计与力学性能图，通过结构设计与对比分析的方法，研究了六韧带梯度超材料的结构参数及其对力学性能的影响，并与四韧带超材料进行对比。结果显示，六韧带超材料的拉伸强度在初始状态下高于四韧带超材料，且通过调整韧带角度和节点大小可调控其力学性能，实现高可编程性。

图6. 六韧带梯度超材料的结构设计与力学性能图。  

7. 4D打印数字像素超材料智能信息载体图，通过设计与实验验证的方法，研究了基于4D打印多响应梯度超材料的数字像素智能信息载体的设计与应用。结果表明，该信息载体可通过二进制语言和摩尔斯电码实现信息的加密与解密，具有高独立性、可扩展性和个性化设计能力，能传输文本、表情等多种信息。

图7. 4D打印数字像素超材料智能信息载体图。  

8. 基于多响应梯度超材料的可变刚度逻辑电子器件图，通过器件设计与功能验证的方法，研究了基于多响应梯度超材料的可变刚度逻辑门器件的设计及其逻辑运算功能。结果显示，该器件可通过刺激调控实现刚性与柔性的自由切换，准确执行与、或、异或等逻辑运算，为智能柔性机器人系统的集成传感-驱动-决策功能提供了可能。

图8. 基于多响应梯度超材料的可变刚度逻辑电子器件图。

研究结论
本研究开发了多响应形状记忆聚合物纳米复合材料，利用多材料4D打印技术制备了多形状梯度超材料，在智能信息载体和智能柔性机器人系统中展现出巨大应用潜力。本研究系统分析了4D打印多响应梯度超材料的可编程力学性能，揭示了韧带和节点设计参数与超材料力学性能之间的关联机制。基于此，结合二进制语言和 Morse 码，开发了可编程数字像素超材料作为智能信息载体，实现了信息加密与擦除协议的高度独立、可扩展和个性化设计。更有趣的是，基于多响应、高可编程梯度超材料，开发了可在刚性和柔性状态之间自由切换的可变刚度逻辑电子器件，可有效处理数字信号并精确控制电路，有望实现具有集成传感-驱动-决策功能的智能柔性机器人系统。

文章来源：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/add8ca