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  刺激響應(yīng)軟材料（SRSMs）可通過(guò)擴(kuò)散和粘彈松弛等非平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程，在熱或光等外部刺激作用下改變形狀。調(diào)控非平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)實(shí)現(xiàn)SRSMs的可編程時(shí)空形態(tài)變形至關(guān)重要。然而，如何在簡(jiǎn)單材料體系與簡(jiǎn)單刺激控制條件下，實(shí)現(xiàn)可編程的時(shí)空形變序列，仍是該領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。本文以光熱響應(yīng)的形狀記憶聚合物（SMP）條帶為平臺(tái)，通過(guò)調(diào)控改變光入射角、光照強(qiáng)度和材料特性，在單一恒定光照條件下實(shí)現(xiàn)并解釋了多種可編程形態(tài)演化與運(yùn)動(dòng)模式：包括壓痕結(jié)構(gòu)的凹凸性反轉(zhuǎn)、非均勻光照下的自主滾動(dòng)、翻轉(zhuǎn)前進(jìn)、螺旋結(jié)構(gòu)的雙向解扭（可切換方向），以及通過(guò)在不同區(qū)域分配具有不同動(dòng)力學(xué)特性的材料實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜時(shí)空形態(tài)變形行為，例如二維交叉彎曲與“W”圖案誘導(dǎo)的扭轉(zhuǎn)彎曲。工作進(jìn)一步總結(jié)了實(shí)現(xiàn)各類(lèi)行為所需的關(guān)鍵“預(yù)編程—邊界—光照”設(shè)計(jì)要素，為可變形結(jié)構(gòu)與軟體機(jī)器人提供了可復(fù)用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1. 研究背景：把“非平衡動(dòng)力學(xué)”變成可設(shè)計(jì)參數(shù)

  軟體機(jī)器人之所以能完成復(fù)雜的形變與運(yùn)動(dòng)，很大程度上依賴(lài)刺激響應(yīng)軟材料在外界刺激下經(jīng)歷的非平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程（例如光熱效應(yīng)導(dǎo)致的溫度梯度等）。但在很多系統(tǒng)中，要獲得“按順序發(fā)生”的復(fù)雜時(shí)空形變，往往需要多種外部刺激、精細(xì)刺激時(shí)序控制或復(fù)雜的材料制備。本文提出的核心觀點(diǎn)是：不必增加外部刺激控制復(fù)雜度，也不必引入復(fù)雜材料體系；只要能調(diào)控材料內(nèi)部的非平衡過(guò)程，就能用恒定光照驅(qū)動(dòng)出可編程的多模態(tài)形態(tài)演化。

  在材料策略上，作者在環(huán)氧基SMP中引入還原氧化石墨烯（rGO）作為光熱填料，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光熱升溫；在“編程策略”上，通過(guò)三類(lèi)手段制造局部響應(yīng)速度差：

• 結(jié)構(gòu)幾何導(dǎo)致的入射角差異（例如壓痕結(jié)構(gòu)的平段與斜臂入射角不同）；

• 空間上非均勻光照強(qiáng)度（把高強(qiáng)度區(qū)“對(duì)準(zhǔn)”特定區(qū)域）；

• 材料動(dòng)力學(xué)差異圖案化（用不同rGO濃度區(qū)域?qū)?yīng)不同吸收/升溫/響應(yīng)速度）。

  這些因素共同決定了“誰(shuí)先軟化、誰(shuí)先彎、誰(shuí)先恢復(fù)”，從而把形變的時(shí)間順序與空間變形變成可設(shè)計(jì)對(duì)象。

2. 壓痕結(jié)構(gòu)在均勻光照下的“凸性反轉(zhuǎn)”：concave → W形

  首先，作者選取了一個(gè)預(yù)壓痕SMP條帶：中間為相對(duì)平段，兩側(cè)為傾斜臂。由于幾何導(dǎo)致的入射角差異，均勻光照下不同區(qū)域的有效光強(qiáng)不同，從而觸發(fā)不同的時(shí)序響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)展示了非常直觀的形態(tài)演化序列：

1. 初始為凹形壓痕結(jié)構(gòu)；

2. 隨著中間區(qū)域先軟化、兩臂隨后向光源方向彎曲并“抬起”中部結(jié)構(gòu)，整體出現(xiàn)典型的W形過(guò)渡構(gòu)型；

3. 兩臂繼續(xù)彎曲達(dá)到最大曲率后，中部區(qū)域上移并完成凹凸性反轉(zhuǎn)，隨后在整體溫度超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）后逐漸恢復(fù)接近平直的形狀。

  這一結(jié)果說(shuō)明：即便光照恒定不變，只要在結(jié)構(gòu)中引入不同的光入射角，就能形成具有明確階段性的時(shí)序形態(tài)演化。

圖1｜預(yù)壓痕SMP在均勻光照下的凸性反轉(zhuǎn)，并由仿真追蹤關(guān)鍵點(diǎn)位移揭示階段性演化。

3. 非均勻光照觸發(fā)自主滾動(dòng)：用“中心高強(qiáng)度區(qū)的位置”改寫(xiě)形變順序

  在第二組實(shí)驗(yàn)中，作者把紅外燈的高強(qiáng)度區(qū)偏向樣品左側(cè)，并將壓痕條帶以自由端、倒置放置在基底上。由于左側(cè)被更強(qiáng)光照“優(yōu)先加熱—優(yōu)先彎曲”，結(jié)構(gòu)先在左側(cè)發(fā)生顯著變形并與基底接觸并彎向右側(cè)，接著在持續(xù)形變過(guò)程中發(fā)生重心遷移。隨后樣品的左側(cè)開(kāi)始恢復(fù)，當(dāng)重心跨過(guò)接觸支點(diǎn)后，樣品會(huì)在某一時(shí)刻突然發(fā)生向左側(cè)的快速滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)需外部時(shí)序控制的自主運(yùn)動(dòng)。論文進(jìn)一步指出，滾動(dòng)的關(guān)鍵在于通過(guò)非均勻光照制造“局部快—局部慢”的動(dòng)力學(xué)差，使得形態(tài)演化與重心位置隨時(shí)間發(fā)生可預(yù)測(cè)的改變，從而產(chǎn)生自主滾動(dòng)。

圖2｜非均勻光照將響應(yīng)速度“寫(xiě)入空間位置”，壓痕SMP倒置自由放置后發(fā)生階段性形變并在重心遷移驅(qū)動(dòng)下自主滾動(dòng)。

4. 透明玻璃基底+底部光照實(shí)現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)前進(jìn)”（flip-forward locomotion）：邊界條件改變運(yùn)動(dòng)結(jié)局

  在第三組實(shí)驗(yàn)中，作者將同類(lèi)壓痕結(jié)構(gòu)放置到透明玻璃基底上，使光從基底側(cè)穿透并作用于樣品，同時(shí)將高強(qiáng)度區(qū)集中在右側(cè)鉸鏈與斜臂部。與上一種“滾動(dòng)”不同，這種接觸邊界與摩擦條件會(huì)把連續(xù)形變導(dǎo)向另一種結(jié)果：樣品右側(cè)先向下彎并與基底形成接觸點(diǎn)，隨后整體形態(tài)演化為“隆起/駝峰”構(gòu)型，并繼續(xù)推動(dòng)重心向右移動(dòng)；當(dāng)重心越過(guò)接觸點(diǎn)后，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生瞬時(shí)翻轉(zhuǎn)前進(jìn)，再逐步恢復(fù)到平直構(gòu)型。論文還特別強(qiáng)調(diào)：基底—條帶的摩擦系數(shù)會(huì)影響末端滑移程度，從而影響翻轉(zhuǎn)前進(jìn)的最終位移，且通過(guò)改變光照集中區(qū)域的位置與范圍，還可實(shí)現(xiàn)自主且可定向的運(yùn)動(dòng)調(diào)控。

圖3｜透明玻璃基底使光從下方作用于結(jié)構(gòu)，配合非均勻光照與接觸/摩擦邊界，壓痕SMP實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)前進(jìn)式運(yùn)動(dòng)。

5. 預(yù)扭結(jié)構(gòu)的雙向解扭：選擇性加速“扭轉(zhuǎn)單元”的上/下區(qū)域

  除壓痕結(jié)構(gòu)外，該論文還展示了預(yù)扭SMP條帶的可控解扭。作者將條帶設(shè)計(jì)為由多個(gè)“扭轉(zhuǎn)單元”組成，每個(gè)單元包含上、下兩部分，而這兩部分在受熱回復(fù)時(shí)對(duì)應(yīng)相反的局部解扭趨勢(shì)。當(dāng)整體受熱較均勻時(shí)，條帶往往只呈現(xiàn)固定方向的解扭；而本文通過(guò)將光集中照射在中央扭轉(zhuǎn)單元的上部或下部，選擇性加速局部回復(fù)過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)整條帶向左或向右兩種不同方向的解扭輸出。該結(jié)果展示了一個(gè)很通用的思想：通過(guò)局部“加速器”（選擇性光熱）改寫(xiě)非平衡過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，就能切換宏觀運(yùn)動(dòng)方向。

圖4｜聚光照射扭轉(zhuǎn)單元上/下區(qū)域，可切換預(yù)扭SMP條帶的整體解扭方向。

6. 材料動(dòng)力學(xué)圖案化：用不同rGO濃度“寫(xiě)入”更復(fù)雜的時(shí)空形變

  進(jìn)一步地，作者并不只依賴(lài)光照空間分布，而是把“響應(yīng)速度差”直接固化到材料內(nèi)部：在同一SMP條帶中通過(guò)不同“門(mén)控（gate）”形狀在澆注與固化過(guò)程中形成可控區(qū)域（直線門(mén)、十字門(mén)、W形門(mén)等）引入高/低兩種rGO濃度區(qū)域，。在實(shí)驗(yàn)演示中，作者給出了三類(lèi)代表性圖案及對(duì)應(yīng)行為：

1. 1D圖案：非對(duì)稱(chēng)彎曲并觸發(fā)滾動(dòng)
   
   

   一半高濃度rGO、另一半極低濃度rGO，并在20%預(yù)拉伸后固定變形；均勻光照下高濃度側(cè)先吸收更多光并更快彎曲，隨后低濃度側(cè)才開(kāi)始彎曲。隨著兩側(cè)彎曲時(shí)序不同，結(jié)構(gòu)重心發(fā)生遷移并觸發(fā)快速滾動(dòng)，最后在整體超過(guò)Tg后恢復(fù)平直。

   
   

2. 2D矩形圖案：二維交叉彎曲（crossed bending）
   
   

   通過(guò)十字形分區(qū)讓高/低濃度區(qū)域在縱向與橫向同時(shí)變化。均勻光照下，高濃度區(qū)域更快收縮/彎曲，但其變形又受到相鄰低濃度區(qū)域約束，從而形成明顯的“交叉”構(gòu)型；隨后低濃度區(qū)也逐步被激活，交叉角度減小并最終恢復(fù)。該模式提示了其在柔性抓取器等應(yīng)用中的潛力：利用預(yù)設(shè)的時(shí)序與空間約束實(shí)現(xiàn)低壓、適應(yīng)性的抓取/釋放。

   
   

3. W形圖案：分支按順序彎曲并產(chǎn)生往復(fù)扭轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)彎曲
   
   

   W形高濃度分支靠近“尖端”的部分先被激活，分支按預(yù)設(shè)順序彎曲，導(dǎo)致條帶整體出現(xiàn)右扭—左扭—右扭—左扭的往復(fù)扭轉(zhuǎn)；同時(shí)，由于大幅度豎向彎曲會(huì)降低有效光強(qiáng)，結(jié)構(gòu)還能在一段時(shí)間內(nèi)維持復(fù)雜構(gòu)型，直到整體達(dá)到Tg后完全恢復(fù)。這類(lèi)響應(yīng)為“可時(shí)空重構(gòu)表面”提供了新的實(shí)現(xiàn)方式。

圖5｜通過(guò)圖案化rGO濃度在材料內(nèi)部寫(xiě)入不同響應(yīng)速度：實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)彎曲滾動(dòng)、二維交叉彎曲與W圖案誘導(dǎo)的往復(fù)扭轉(zhuǎn)彎曲。

7. 仿真與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：把“預(yù)編程—邊界—光照條件” 歸納成清晰的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)照表

  為解釋并預(yù)測(cè)上述復(fù)雜時(shí)空行為，論文使用ABAQUS開(kāi)展熱—力耦合有限元分析：采用耦合溫度—位移步并引入瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，材料以溫度相關(guān)粘彈模型（Prony級(jí)數(shù)）表征；光熱效應(yīng)通過(guò)Beer–Lambert定律轉(zhuǎn)化為體熱源項(xiàng)并在材料內(nèi)部傳導(dǎo)、在邊界散熱。實(shí)驗(yàn)方面，工作使用寬譜紅外加熱燈，通過(guò)調(diào)節(jié)燈-樣距離在不同實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)從近距離相對(duì)均勻照射到遠(yuǎn)距離增強(qiáng)空間梯度的非均勻照射。

  更重要的是，作者將各類(lèi)目標(biāo)行為所需的關(guān)鍵條件總結(jié)為清晰的設(shè)計(jì)表：每一種行為對(duì)應(yīng)三要素——預(yù)變形/材料編程方式、邊界與接觸條件、光照分布方式。這使得讀者可以將本文視為一套“用非平衡過(guò)程編程”的方法學(xué)，而不僅是若干現(xiàn)象展示。

總結(jié)

1. 本文證明：在簡(jiǎn)單材料體系（rGO/SMP）與恒定光照條件下，通過(guò)編輯/調(diào)控非平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)可編程的多模態(tài)形態(tài)演化與運(yùn)動(dòng)。

   
   

2. 通過(guò)結(jié)構(gòu)幾何（入射角差）、非均勻光照（空間強(qiáng)度梯度）與材料動(dòng)力學(xué)圖案化（不同rGO濃度區(qū)域）三類(lèi)策略，論文實(shí)現(xiàn)了凸性反轉(zhuǎn)、自主滾動(dòng)、翻轉(zhuǎn)前進(jìn)、雙向解扭、二維交叉彎曲與W圖案誘導(dǎo)的扭轉(zhuǎn)彎曲等行為。

   
   

3. 論文進(jìn)一步給出熱—力耦合仿真框架與“預(yù)編程—邊界—光照”設(shè)計(jì)表，為可變形結(jié)構(gòu)、軟體機(jī)器人、可重構(gòu)表面與柔性?shī)A持等應(yīng)用提供了可推廣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

   
   

4. 展望方面，論文指出可通過(guò)引入高導(dǎo)熱填料提升響應(yīng)速度，并可拓展到具備可逆形變能力的材料體系（如水凝膠、液晶彈性體等），以擴(kuò)展可重復(fù)、可循環(huán)的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景。

論文信息與鏈接

  期刊：Advanced Functional Materials

  論文題目：Programmable Multimodal Shape Evolution of Shape Memory Polymers Through Non-Equilibrium Processes

  https://doi.org/10.1002/adfm.202524981