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  可控形變材料在軟體機器人、軟材料和仿生制造等多種應用中被日益關注。大自然為設計形變材料提供了豐富的靈感，例如，松塔、種莢和小麥會因環境濕度變化而彎曲和扭曲，這種變化源于外部刺激下的內部非均勻應力，如異質膨脹/收縮。受這些自然形變系統的啟發，各種非均質結構，包括雙層結構、梯度結構、圖案化結構已被應用于形變材料。在這些策略中，圖案化結構因其可調節內部應力分布在實現復雜三維結構方面尤為有效。面內異質性為控制圖案化異質結構凝膠中的組分分布提供了一種機制。這種受控的異質性可以實現可編程的內部應力分布，進而在外部刺激下實現可控的三維構型。

  目前許多的研究工作利用周期性條紋、圓形或其他多邊形形狀的平面凝膠片實現了三維形狀轉變。然而，對平面凝膠片卷曲方向的控制關注較少。一般來說，凝膠在外部刺激下會經歷各向同性的膨脹/收縮，因此卷曲變形可以發生在任何方向。這導致卷曲方向不可預測，縱向、橫向和對角卷曲都可能發生。圖案化結構可以通過改變圖案形狀來調節應力分布。盡管如此，大多數形狀轉變是由圖案面內或面外不匹配導致的。在圖案化結構的凝膠片中，實現可預測的卷曲方向和可編程的形狀轉變仍然被研究的較少。

  中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心王樹濤研究員、張飛龍研究員團隊受松塔鱗片吸濕異質結構啟發，將松塔鱗片中“彈簧/方形”微管結構轉化為平面正弦圖案，通過浸潤誘導三維界面聚合（WET-DIP）策略構建了一種正弦圖案化水凝膠-半包埋-油凝膠（HSEO）片，實現了復雜三維結構的可編程制備。通過界面拉伸應力和內部壓力的共同作用，可以實現曲率可控的縱軸和橫軸彎曲。通過調節正弦圖案參數和油凝膠基質的約束作用，可以得到不同的三維復雜結構。

  該研究成果以“Bioinspired Programmable Biaxial Rolling Gel Sheets for Complex 3D Morphing”為題，發表在Advanced Materials上（Adv. Mater. 2026, DOI: 10.1002/adma.202519226）。中科院理化所博士生蔡胤民和北京理工大學王長顯副教授為該論文的第一作者，通訊作者為中科院理化所張飛龍研究員和王樹濤研究員。

圖1. 受松塔啟發的正弦圖案化HSEO片的仿生設計概念

圖2. 正弦圖案化HSEO片的制備與表征

  正弦圖案化結構不僅通過油/水凝膠界面拉伸應力調控形變方向，還通過半包埋的水凝膠對油凝膠基質的壓應力調控內部應力分布，實現了縱軸彎曲與橫軸彎曲曲率的可編程調控。研究團隊系統探究了正弦圖案參數（如波長λ、線寬w、水凝膠厚度、油凝膠基質的約束）對凝膠片形變行為的影響。通過精確調控波長、線寬、水凝膠厚度和油凝膠的約束，可以實現可編程的雙軸曲率控制，從而實現復雜的三維變形結構的構筑。在曲率控制的指導下，通過調整正弦圖案參數，可實現HSEO片從二維平面片材到三維復雜結構（如船形、碗形、花瓣形等）的可控轉變。

圖3. 不同正弦參數對正弦圖案化HSEO片形狀轉變的影響

圖4. 由正弦圖案調控的正弦圖案化HSEO片的可編程形狀轉變

圖5. 由正弦圖案調控的正弦圖案化HSEO片的可編程復雜3D形狀變形

  此外，半包埋結構展現出與傳統外凸結構相反的形變行為。通過有限元分析條紋圖案凝膠片的形變形為，并揭示其內部應力分布與形變機制。在半包埋結構中，垂直于條紋的界面應力大于沿條紋的拉伸應力。垂直于條紋的界面拉伸應力主要由水凝膠內部膨脹引起的內部壓力驅動，從而對周圍油凝膠產生壓縮力。水凝膠條對周圍油凝膠的壓縮力是彎曲的主要驅動力，油凝膠中的界面拉伸應力主要調節彎曲方向。

圖6. 半包埋式結構與外凸結構異質凝膠片之間的形變比較

  該研究不僅提出了一種新型的可編程三維形變機制，也為軟材料從二維圖案化片向三維結構的可控轉變提供了新的仿生策略。所開發的凝膠材料在軟體驅動器、自適應器件和生物醫學工程等領域具有廣闊的應用前景。

  該工作得到了國家自然科學基金（22575259、22521103）、中國科學院戰略性先導科技專項（XDB1030402）和北京市高等學校卓越青年科學家計劃（JWZQ20240102014）等項目的支持。

  近年來，中國科學院理化技術研究所王樹濤研究員、張飛龍研究員團隊在仿生智能形變材料和驅動器領域取得了系列重要突破。例如，團隊提出新型界面聚合方法制備水凝膠/油凝膠Janus聚合物膜驅動器，實現性質差異大的材料的高強度結合（NPG Asia Mater. 2017, 9, e380）。在此基礎上，團隊開發了一種浸潤誘導三維界面聚合（WET-DIP）策略，制備了宏觀的油凝膠包水凝膠材料（Small 2023, 19, 2208157）。2022年，團隊重新審視松塔的吸濕運動，揭示了松塔濕度響應的超慢運動的奧秘和維管束運動的機制，并受此啟發研發了具有類松塔濕度響應的超慢運動的人工驅動裝置（Nat. Mater. 2022, 21, 1357-1365）。隨后，團隊進一步總結了植物組織控制形變速度的機制和策略，包括從超快到超慢的調控，并提出了一些仿生學的策略，用于制造速度可控的仿生機器人（Nano Res. 2023, 17, 570-586）。另外，受生活中撕膠帶過程啟發，團隊提出一種基于剝離誘導非對稱塑性應變的可控形狀轉變策略，適用于聚合物、金屬、纖維膜等具有塑性特征的材料，為柔性電子的2D向3D轉變提供了新方法（Nat. Commun. 2022, 13, 7294）。考慮到連續性響應驅動在實際應用中重要性，該團隊系統總結并定義了四種在恒定環境中實現連續性響應驅動的策略，并深入探討了這四種策略的基本原理、適用范圍、優缺點、應用及挑戰等（Adv. Mater. 2025, 37, 2502926）。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519226

  課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/Zhang_Feilong