近日，寧夏大學(xué)教授冒杰和團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種通過(guò)剪切輔助 4D 打印制造的特殊材料，它的名字叫做介電液晶彈性體，它能像肌肉一樣在電場(chǎng)的指揮之下，精確、快速地變換成為各種復(fù)雜的三維形狀，并且還能變回原樣，打破了傳統(tǒng)上認(rèn)為介電彈性體只能做簡(jiǎn)單變形的認(rèn)知。這項(xiàng)技術(shù)將能為未來(lái)的軟體機(jī)器人、生物醫(yī)療和自適應(yīng)系統(tǒng)打開全新的大門。

（來(lái)源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289）

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他告訴 DeepTech：“我們這項(xiàng)技術(shù)最大的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形變的按需編程與快速電控響應(yīng)，為未來(lái)智能柔性器件的發(fā)展提供了一種全新的材料和制造思路?！?/p>

首先，他和團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了一種時(shí)空可編程（即在時(shí)間和空間上都能對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行編程）的、基于數(shù)字光處理的高精度介電彈性體材料打印，并以此實(shí)現(xiàn)了從 2D 到 3D 的復(fù)雜變形。

更重要的是，他們不僅僅是正向設(shè)計(jì)即設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)然后打印出來(lái)讓它變形，還實(shí)現(xiàn)了一套逆向設(shè)計(jì)方案。也就是說(shuō)，如果你有一個(gè)想要的變形目標(biāo)形狀，他們的計(jì)算機(jī)程序可以自動(dòng)計(jì)算出并輸出所需的打印指令，直接幫你把這個(gè)能變形成目標(biāo)形狀的器件做出來(lái)。

圖 | 冒杰（來(lái)源：冒杰）

談到應(yīng)用前景，冒杰表示這項(xiàng)技術(shù)潛力很大。

例如在交互體驗(yàn)方面，未來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，或許不再只是看到圖像，還能通過(guò)這種可變形的表面觸摸到虛擬物體的形狀，比如一個(gè)蘋果的圓潤(rùn)感實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觸覺(jué)反饋。

在可穿戴設(shè)備與生物適配領(lǐng)域，人體或生物體的構(gòu)造復(fù)雜多變，本次技術(shù)可以制造出能高度貼合這些復(fù)雜形變的柔性器件，實(shí)現(xiàn)更好的穿戴舒適度和功能性貼合。

在微流控與液體操控方面，通過(guò)電控方式精細(xì)改變材料表面形貌，可以像操縱地形一樣控制液體的流動(dòng)、混合與輸運(yùn)。

該團(tuán)隊(duì)所展示的黃河地圖變形，其背后就蘊(yùn)含著通過(guò)設(shè)計(jì)表面圖案來(lái)控制液體流向的理念。這在化工混合、危險(xiǎn)化學(xué)品處理或生物檢測(cè)等領(lǐng)域可能有重要應(yīng)用。

在航空與流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)關(guān)鍵方向是研發(fā)可變形的機(jī)翼。目前的飛機(jī)機(jī)翼形狀是固定的，升力也相對(duì)固定。但在不同飛行條件下，如起降或遇到風(fēng)雨時(shí)，若能實(shí)時(shí)改變機(jī)翼表面形狀，就能優(yōu)化升力、降低阻力。“我們的這種電響應(yīng)材料，就有潛力用于制造這類智能蒙皮?！泵敖鼙硎?。

（來(lái)源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289）

材料的變形記

這款材料的核心秘密，藏在一種名為液晶彈性體的物質(zhì)里。對(duì)于液晶我們都不陌生，手機(jī)和電視的屏幕就用到了它。液晶分子在正常情況下排列整齊，像一隊(duì)訓(xùn)練有素的士兵。而在這項(xiàng)研究之中，該團(tuán)隊(duì)巧妙地使用一種特殊的 3D 打印技術(shù)（他們稱之為 4D 打印，因?yàn)榇蛴〕鰜?lái)的物體能在特定刺激之下隨時(shí)間變形），從在可以在材料內(nèi)部編程，控制液晶分子的排列方向。

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這款打印機(jī)有一個(gè)可以移動(dòng)的刮刀。在打印每一層材料的時(shí)候，刮刀移動(dòng)產(chǎn)生的剪切力就像一把分子梳子，能讓液晶分子朝著特定方向乖乖站隊(duì)。隨后，紫外線立刻就可以照射，將這些排列好的分子凍結(jié)固定住。通過(guò)控制刮刀的速度和高度，就能在不同區(qū)域之內(nèi)制造出不同方向的分子排列圖案。

這為什么重要呢？因?yàn)椴牧系能浻渤潭葧?huì)隨著分子排列的方向變化。沿著分子排列方向，材料比較硬，不容易拉伸；垂直于這個(gè)方向，材料則會(huì)比較軟。這樣，就能在一張薄薄的材料片上，制造出精細(xì)的軟硬梯度地圖。

當(dāng)給材料兩面貼上電極并通電的時(shí)候，電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一種叫做麥克斯韋應(yīng)力的力來(lái)擠壓材料。由于不同區(qū)域軟硬不同，它們被擠壓收縮的程度也不同，這種步調(diào)不一致就導(dǎo)致了整張材料發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜的立體變形。就像我們?cè)谡奂埖臅r(shí)候，在不同位置預(yù)先折出不同的折痕，一推就能變成千紙鶴一樣，本次團(tuán)隊(duì)則是在微觀分子層面折出了隱形的折痕。

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隨心所欲的變形秀

利用這個(gè)原理，研究團(tuán)隊(duì)像搭積木一樣，設(shè)計(jì)出了各種變形結(jié)構(gòu)。

首先是最基本的彎曲單元。他們將一層軟區(qū)域和一層硬區(qū)域像三明治一樣結(jié)合在一起。一通電，兩層由于收縮不一致，整個(gè)結(jié)構(gòu)就會(huì)彎起來(lái)，響應(yīng)速度快達(dá) 0.17 秒，比眨眼還快。

接著是更復(fù)雜的變形。將多個(gè)彎曲單元組合，他們讓材料變成了會(huì)扭動(dòng)的麻花、能開合的金字塔、含苞待放的花朵，甚至一個(gè)個(gè)能獨(dú)立遙控葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)車。這些變形都是完全可逆的，斷電之后材料瞬間就會(huì)恢復(fù)平整。

他們還成功挑戰(zhàn)了非展曲面的變形。什么是非展曲面？像紙這樣的平面，我們可以把它彎成圓柱或者圓錐，這就是展曲面。但是，無(wú)法不拉伸或撕裂就把它變成一個(gè)球面或者馬鞍面這就是非展曲面。通過(guò)更加精密的區(qū)域編程，研究團(tuán)隊(duì)讓他們的材料片在電場(chǎng)下，鼓成了球形的正高斯曲面或者凹陷成為馬鞍形的負(fù)高斯曲面，甚至可以編程出來(lái)多層蛋糕和漣漪般起伏的復(fù)雜地形。

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“基于這項(xiàng)成果，我們后續(xù)的研究計(jì)劃包括：對(duì)液晶彈性體進(jìn)行進(jìn)一步的功能化，例如加入變色或自修復(fù)能力；推動(dòng)器件走向?qū)嶋H應(yīng)用，比如深入探索可變性機(jī)翼蒙皮、AR/VR 觸覺(jué)界面、以及用于聲學(xué)降噪或聲波調(diào)控的可變形表面等方向。同時(shí)，我們也在致力于進(jìn)一步提升材料本身的機(jī)電性能?！泵敖鼙硎?。

參考資料：

相關(guān)論文https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289

排版：劉雅坤