同济大学赵莹研究员团队Adv.Sci.：可编程多模态三维变形液晶弹性体

想象一下：一只机械蝴蝶遇热自动展开翅膀，同时由蓝变紫；一片“间谍树叶”在森林中遇热舒展，显隐藏信息后又恢复伪装…这些科幻场景已被中国科学家变为现实！近日，同济大学联合宁波大学在《Advanced Science》发表突破性研究，首创基于液晶弹性体的可编程可逆3D变形技术，让材料像生命体一样“活”起来。

传统柔性驱动器（如软体机器人）多停留在2D变3D的简单形变，而生物界的精妙变形（如捕蝇草合拢、种子螺旋钻土）需多级3D形态切换，且常伴随颜色变化。现有技术因两大瓶颈难以实现：1）难以构建复杂曲面（尤其非零高斯曲率曲面）；2）无法可控实现“3D到3D”的形变。本研究通过双应变编程技术破解困局——预应变驱动材料自组装成复杂3D结构，温度触发液晶弹性体热致相变诱导二次变形，实现生命级的自适应响应。

图1多模态分级变形机理与编程方式

为实现可编程分级变形，通过调控液晶分子取向（红箭）与预拉伸方向（蓝箭）的空间夹角，来控制形变路径精准编程（图1）。预应变释放驱动2D薄膜自组装成复杂3D结构，温度触发二次变形，形成双级联动态响应链。此外，为控制局部应变，通过采用DLP技术在预拉伸液晶膜上打印固化树脂图案。这种应变场局部编辑技术，如同为材料植入可进化“神经系统”，突破薄膜变形的传统曲率限制。

图2 复杂高斯曲率曲面的多模态分级变形设计策略

由于其易于操作性和可定制性，通过将预设预应力和热应变分布与平面内设计的图案相结合，他们提出了多种非零高斯曲率曲面的3D结构，并实现了复杂的3D到3D形状变形。例如，翅膀（图2，ⅰ）、鳐鱼（图2，ⅱ）、蚂蚁（图2，ⅲ）、山丘（图2，ⅳ）、嘴巴（图2，ⅴ）、手掌（2，ⅵ）、降落伞（2，ⅶ）等复杂曲面结构。进一步结合热应变主方向（红色箭头）的特定排布，通过加热驱动，这些复杂曲面结构可表现出仿生动态变形特性：翅膀折叠（图2，ⅰ）、胸鳍扑动（图2，ⅱ）、身体卷曲（图2，ⅲ）、地壳运动（图2，ⅳ）、嘴巴开合（图2，ⅴ）、竖起拇指（图2，ⅵ）、和伞面合拢（图2，ⅶ）。相较于之前报道研究，这克服了以往结构在复杂曲率曲面多模态3D变形调控方面的局限性。

图3 生物启发的形色协同变化3D结构与信息加密应用

进一步，通过引入热致变色油墨，开发了生物启发的形色协同变化3D结构与信息加密应用。在热风枪（110 °C）的驱动下，这些3D仿生结构可在6-8 s内快速实现形状与颜色的同步改变：变色龙仿生结构在颜色由棕变红的同时闭合四肢（图3a，ⅰ）；蝴蝶仿生结构在颜色由蓝变紫的同时展开翅膀（图3a，ⅱ）；蜘蛛仿生结构则在颜色由绿变橙的同时抬起躯干（图3a，ⅲ）。这种集成的3D形状转换与颜色变化能力，使这些仿生结构能够模拟自然生物对环境刺激的适应性行为，在自然界中具备良好的环境适应性，可实现诸如警戒、求偶及伪装等功能特性（图3b）。此外，还构建了兼具环境自适应伪装与信息加密功能的树叶状仿生器件（图3c），该器件可通过形色协同变化实现伪装与信息隐藏/传递等多功能特性。

该研究以“Programmable and Reversible 3D-to-3D Shape Transformation: Hierarchical Multimodal Morphing Based on Liquid Crystal Elastomers”为题发表于《Advanced Science》。同济大学博士生田嘉宇为第一作者，同济大学赵莹研究员和李辰喆助理教授为论文通讯作者，宁波大学石川千副教授和同济大学聂国华教授为共同作者。

全文链接：

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！