一、研究背景

超材料是一類由周期性排列的基本單元組成的人造材料，具有超越天然材料和體積相似材料的奇特性能，如可調(diào)節(jié)的機(jī)械性能、負(fù)折射率和負(fù)泊松比。與傳統(tǒng)的被動(dòng)和靜態(tài)行為相比，超材料在受到光、熱、水合、磁場(chǎng)、電場(chǎng)和電化學(xué)場(chǎng)等外部刺激時(shí)會(huì)發(fā)生幾何形變，其刺激響應(yīng)、自適應(yīng)和可編程的特性和功能引起了跨學(xué)科的廣泛興趣。將可編程致動(dòng)的超結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化到微米或納米尺度，將為開(kāi)發(fā)高密度功能子單元提供巨大機(jī)遇，從而推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室芯片技術(shù)、微型機(jī)器人、物理智能機(jī)器、低能耗機(jī)械計(jì)算以及可調(diào)光子和聲子設(shè)備的發(fā)展。然而，由于微米和/或納米尺度的驅(qū)動(dòng)機(jī)制通常只適用于特定材料，因此它們的微型化具有挑戰(zhàn)性。此外，具有特定初始幾何形狀的超材料通常會(huì)轉(zhuǎn)化為特定的最終構(gòu)型，只有通過(guò)設(shè)計(jì)其他初始幾何形狀才能產(chǎn)生不同的最終構(gòu)型。要實(shí)現(xiàn)從相同的初始幾何圖形轉(zhuǎn)化成可編程的多樣化配置，具有很大的挑戰(zhàn)性。例如，kirigami 超結(jié)構(gòu)中的某些規(guī)定切口只能生成特定的最終模式，而其他配置只能通過(guò)重新設(shè)計(jì)不同類型的切口（即接頭與切口的比例）來(lái)實(shí)現(xiàn)。超結(jié)構(gòu)缺乏廣泛的可編程性，極大地限制了其設(shè)計(jì)多樣性、功能和實(shí)際應(yīng)用。

在不同的轉(zhuǎn)換機(jī)制中，人造肌肉因其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力、快速的時(shí)間響應(yīng)性和高功率密度而成為可重構(gòu)超材料的一種潛在驅(qū)動(dòng)方法。水凝膠的一些特性，如良好的水環(huán)境、易于定制的化學(xué)成分和特性以及與生物組織相容的柔軟性，使其成為軟機(jī)器人、植入式設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的人造肌肉。要實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的超結(jié)構(gòu)，水凝膠肌肉必須具備大、透明和均勻致動(dòng)等特性。線性響應(yīng)可確保均勻驅(qū)動(dòng)超結(jié)構(gòu)，而不會(huì)造成結(jié)構(gòu)損壞或失效，同時(shí)水凝膠肌肉的高透明度可在轉(zhuǎn)化過(guò)程中對(duì)超結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)。

二、研究背景

在這里，馬普智能系統(tǒng)研究所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）的張明超博士及其合作者提出了一種基于線性響應(yīng)、透明水凝膠的致動(dòng)機(jī)制，將其作為可重構(gòu)微超結(jié)構(gòu)的人造肌肉，并實(shí)現(xiàn)了寬的模式轉(zhuǎn)換光譜。這種微超結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性來(lái)自不同的可逆幾何變換狀態(tài)，他們可以通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)溫度來(lái)控制這些狀態(tài)。他們的策略為具有可調(diào)諧手性和光學(xué)各向異性的可重構(gòu)二維（2D）和三維（3D）微型超結(jié)構(gòu)提供了大量的設(shè)計(jì)多樣性，并且可應(yīng)用于其他各種可三維打印的超結(jié)構(gòu)和材料。特別是，傳統(tǒng)的致動(dòng)策略限制了超材料構(gòu)件從特定的初始幾何形狀轉(zhuǎn)變?yōu)閱我?、預(yù)定的最終構(gòu)型，而實(shí)現(xiàn)不同的最終構(gòu)型需要設(shè)計(jì)不同的初始幾何形狀（圖 1a）。相比之下，他們的方法通過(guò)不斷改變像素化構(gòu)件的局部印刷參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了寬廣的模式轉(zhuǎn)換譜，使相同初始幾何形狀的構(gòu)件能夠重新配置成各種幾何形狀。此外，他們的方法還允許在像素化構(gòu)件中加入額外的功能，例如可重構(gòu)的光學(xué)各向異性，從而極大地豐富了設(shè)計(jì)的多樣性，并提高了可重構(gòu)超結(jié)構(gòu)領(lǐng)域所能實(shí)現(xiàn)的功能的復(fù)雜性。相關(guān)研究工作以“Hydrogel muscles powering reconfigurable micro-metastructures with wide-spectrum programmability”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Materials》上。祝賀！

三、圖文速遞

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大型、透明和均勻變形的水凝膠對(duì)于構(gòu)建可重構(gòu)的超結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）已被廣泛用于構(gòu)建各種刺激響應(yīng)系統(tǒng)。PNIPAM 水凝膠的變形是由聚合物鏈在溫度介導(dǎo)下的親水-疏水轉(zhuǎn)變所引起的水分解吸和吸收所驅(qū)動(dòng)的（圖 2a）。然而，這種轉(zhuǎn)變通常會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)鏈的災(zāi)難性坍塌，形成致密的疏水團(tuán)聚體，作為疏水屏障，阻止水的平穩(wěn)擴(kuò)散，減緩其變形過(guò)程。因此，可以看到由于其非線性變形而產(chǎn)生的顯著形態(tài)變化（例如氣泡表皮）（圖 2b）。

與純 PNIPAM 水凝膠相比，合成的聚（NIPAM-co-HEMA-co-AM）水凝膠在保持高透明度的同時(shí)，變形非常均勻（圖 2c、d）。LIHAM 由增強(qiáng)的親水性聚合物鏈組成，它們有力地支撐和加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，防止了 PNIPAM 聚合物網(wǎng)絡(luò)在溫度介導(dǎo)的親水性和疏水性轉(zhuǎn)變過(guò)程中發(fā)生坍塌。因此，這些增強(qiáng)聚合物鏈會(huì)均勻收縮，不會(huì)產(chǎn)生光散射團(tuán)聚體，從而保持了 LIHAM 的透明度。圖 2e 比較了聚合物加熱到 60 °C 時(shí)的透射率（λ = 580 nm），顯示 LIHAM 的損失（3.4%）可以忽略不計(jì)，而 PNIPAM 的損失則很大（71.2%）。此外，LIHAM 的變形能力可以通過(guò)調(diào)整單體的濃度（圖 2f）和重量比（圖 2g）來(lái)調(diào)節(jié)。

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作為概念驗(yàn)證，他們能夠?qū)τ∷⒔Y(jié)構(gòu)中的任何圖像的灰度信息進(jìn)行編碼和映射，從而根據(jù)廣泛的可重構(gòu)圖案進(jìn)行信息加密。如上所述，在 2PP 過(guò)程中，通過(guò)不斷改變掃描功率或掃描速度，可以將具有相同晶格尺寸（即相同的 D 值）的印刷晶格轉(zhuǎn)換成不同的圖案。作為演示，他們將一幅 100 × 100 像素2?的《蒙娜麗莎》離散圖像（圖 5a）中每個(gè)像素的灰度值轉(zhuǎn)換為 10,000 個(gè)單個(gè)尺寸為 10 × 10 μm2?的印刷十字單元的掃描功率映射（圖 5b），這些單元相鄰互連，沒(méi)有任何間隙，從而實(shí)現(xiàn)了金屬晶格的編程。LIHAM 作用超結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型特征是其在轉(zhuǎn)化后的最終模式中具有廣泛的可編程性。如圖 5c 所示，不同掃描功率的交叉組合晶格可以在加熱和冷卻時(shí)可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于掃描功率是連續(xù)的，因此相應(yīng)的印刷單元可以轉(zhuǎn)化為寬光譜圖案。

在 LIHAM 的驅(qū)動(dòng)下，印刷金屬網(wǎng)格（圖 5d）出現(xiàn)了蒙娜麗莎油畫的圖像，這是這 10,000 個(gè)屈曲交叉單元在 50 °C（圖 5e）下協(xié)作的結(jié)果。正如預(yù)測(cè)的那樣，不同位置的變形圖案差異很大，而且很容易相互區(qū)分。例如，畫中頭部（圖 5f）、胸部（圖 5g）和背景（圖 5h）區(qū)域的細(xì)節(jié)明顯不同。此外，固體度（圖 5i）和圓度分布向低值移動(dòng)并擴(kuò)大，表明形狀轉(zhuǎn)變的程度很高。這些單元格的長(zhǎng)寬比分布在變形后也大大變寬（圖 5j）。與原始金屬晶格圖案位于 1 附近（最大值為 1.3）的狹窄分布相比，變形后的縱橫比分布變得更寬，分布范圍最高達(dá) 4.7，證明形成了大量新形狀。此外，這些新圖案的確定方向從原始晶格的水平方向變?yōu)槠渌煌较颍▓D 5k），顯示了新出現(xiàn)圖案的多樣性和復(fù)雜性。

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四、結(jié)論與展望

總之，具有亞微米精度的線性響應(yīng)水凝膠肌肉驅(qū)動(dòng)可重構(gòu)二維和三維超材料展示了非凡的操縱靈活性，包括對(duì)手性轉(zhuǎn)化的全局精確控制和對(duì)寬模式變換譜的特定位點(diǎn)操縱。他們的方法所具有的廣譜可編程性賦予了超結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件的多功能轉(zhuǎn)換，這些轉(zhuǎn)換有助于重建具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜圖像，以及用于信息隱藏的與角度相關(guān)的光物質(zhì)相互作用。這些先進(jìn)的能力為構(gòu)建復(fù)雜而精密的信息提供了前所未有的機(jī)會(huì)，適用于各種應(yīng)用，包括信息密碼學(xué)、微型機(jī)器人學(xué)、光子學(xué)和聲子學(xué)。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01649-3