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  在光、電等外場激勵下，智能軟材料能夠從一張簡單的薄片變形為復雜的立體結構。這種二維到三維的形態(tài)切換能力，使其在軟體機器人、生物醫(yī)療器件等領域具有重要的應用前景。當前，激勵響應型軟材料發(fā)展迅速，但普遍存在響應速度慢、形變恢復不完全、制造精度有限等缺點。此外，通過對響應性軟材料結構進行精確的時空編程，進而實現(xiàn)可控變形與復雜非線性力學行為的逆向設計，也是當前軟材料力學與4D打印領域所面臨的重要挑戰(zhàn)。

  近日，寧夏大學冒杰副教授與浙江大學毛國勇研究員、肖銳研究員合作提出了一種剪切輔助的數(shù)字光處理（DLP）4D打印方法，通過對介電液晶彈性體（DLCEs）的力學各向異性進行時空編程，結合逆向設計算法，實現(xiàn)了電場驅動下的復雜三維可逆變形。

  2025年11月26日，相關論文以“Spatiotemporally programmed dielectric liquid crystal elastomer: Electro-reversible 3D morphing via inverse 4D printing”為題發(fā)表在Science Advances期刊。

  通過在光固化彈性體中引入剛性液晶基元，研究團隊開發(fā)了一種包含移動刮刀的剪切輔助DLP打印方法（圖1）。該方法利用打印過程中刮刀產(chǎn)生的剪切力，使液晶基元沿剪切方向定向排列，并隨即通過紫外光固化鎖定其取向，從而在無需模板的情況下實現(xiàn)了對局部網(wǎng)絡結構的各向異性編程。制備出的DLCE薄膜在垂直于液晶排列方向表現(xiàn)出高介電常數(shù)，結合其獨特的力學各向異性，在電場作用下能夠產(chǎn)生高達21%的單軸應變響應，且響應速度快（<0.2秒）、抗疲勞性能優(yōu)異（>20,000次循環(huán)）。

圖1. 介電液晶彈性體的剪切輔助4D打印原理、微觀結構表征及電致變形性能。

  基于上述各向異性編程能力，團隊首先構建了由單疇層（各向異性）和多疇層（各向同性）組成的雙層彎曲單元，實現(xiàn)了可展曲面的編程設計（圖2）。由于剪切層與非剪切層在電場下的應變失配，致動器可產(chǎn)生顯著的彎曲變形。通過對單疇DLCE液晶局部取向的精細設計，成功展示了S形彎曲、扭轉、以及仿生花朵綻放等多種復雜變形模式。有限元模擬結果與實驗觀測的高度吻合，驗證了所建立的各向異性力電耦合模型的準確性，為指導復雜結構設計奠定了基礎。

圖2. 基于彎曲單元的可展曲面變形設計與模擬驗證（S形、扭轉、仿生花朵等）。

  為突破傳統(tǒng)設計局限，實現(xiàn)具有高斯曲率的非可展曲面變形，團隊受圖靈斑圖啟發(fā)，設計了一種二進制離散化編程框架（圖3）。通過將平面離散化為單疇（“1”）和多疇（“0”）區(qū)域矩陣，利用局部相互作用在全局范圍內(nèi)實現(xiàn)電驅動變形復雜性。通過調節(jié)矩陣中剪切區(qū)域的空間分布，成功實現(xiàn)了從平面到零高斯曲率（圓臺）、正高斯曲率（圓頂）和負高斯曲率（馬鞍面）的轉換，甚至構建了雙層蛋糕狀和多級波紋狀等復雜的非均勻曲面。實驗與仿真結果表明，致動器的最大位移與電場強度、致動器半徑及液晶取向角度密切相關。

圖3. 基于離散化矩陣編程的高斯曲面及非可展曲面變形設計。

  針對自然界中更為復雜的非軸對稱三維形狀，團隊進一步開發(fā)了一套逆向設計方法（圖4）。該方法能夠將目標三維曲面轉化為二維平面的材料結構力學屬性分布和可執(zhí)行的打印路徑。以三維熊貓面部模型、多肉植物以及黃河河道地形為例，通過計算目標曲面的等高線和局部應變需求，反向推導出每一層的液晶分布區(qū)域及其取向方向，打印出的DLCE致動器在電場驅動下高保真地重構了目標形貌，并成功演示了基于黃河地形的液體輸運功能。

圖4. 復雜三維曲面的逆向設計策略及其在熊貓臉、仿生植物和地形重構中的應用。

  綜上所述，本研究提出了一種結合剪切輔助4D打印與逆向設計算法的綜合策略，解決了介電液晶彈性體在復雜三維變形控制中的難題。該技術實現(xiàn)了毫米級精度的復雜幾何重構，且具備電驅動快速響應和可逆變形的優(yōu)勢，展示了其在仿生軟體機器人和可重構微流控系統(tǒng)等領域的廣闊應用前景。

  本文的通訊作者是寧夏大學冒杰副教授、浙江大學航空航天學院毛國勇研究員和肖銳研究員，寧夏大學碩士研究生趙卉垚和浙江大學博士研究生陳梓坷為共同第一作者。浙江大學羅英武教授和寧夏大學彭志科教授對該工作進行了重要指導。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289