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1. 文章导读

超材料由于具有天然材料所不具备的超常物理属性，已被广泛应用于柔性机器人、航空航天等领域。然而，当前超材料仍面临着固有挑战，包括制备后构型/机械性能固定及设计灵活性有限，已不能满足设备对智能化、多功能的需求。
近期，哈尔滨工业大学航天学院冷劲松院士课题组，提出了一种多刺激响应、高度可编程的4D打印形状记忆梯度超材料，实现超材料性能/结构的高度可设计性，相关成果以题为“Highly programmable 4D printed multi-shape gradient metamaterials and multifunctional devices”发表在SCI期刊《极端制造（英文）》上。

图1 4D打印多形状梯度超材料的设计原理及其潜在应用。

2. 图文解析

本研究的创新之处在于提出了一种多材料、多形状、高度可编程的4D打印形状记忆聚合物梯度超材料的设计方法。利用多材料4D打印技术，结合具有不同刺激响应（热、光、电、磁）特性的4D打印形状记忆聚合物复合材料，通过施加特定刺激实现梯度超材料的多种形状记忆效应及时空可控的选择性驱动。从韧带角度、节点大小、梯度材料及梯度结构等多个维度对超材料结构进行多样化设计，系统分析了几何参数与力学性能间的相关机制。同时，梯度超材料的多刺激响应特性赋予其额外的临时形状，显著增强了超材料的设计自由度和利用率，实现了力学性能的高度可编程性和可调性（图2、图3）。

图2 四韧带梯度超材料结构设计。

图3 四韧带梯度超材料力学性能的高度可编程性。

基于梯度超材料的多刺激响应特性，本研究结合二进制语言与摩斯密码，设计并开发了一种可编程的4D打印数字像素超材料作为智能信息载体，具有可定制的加密/解密程序、高度独立性、优异的可扩展性和可重复使用性，实现了海量信息的安全加密传输（图4）。此外，开发了4D打印可变刚度逻辑电子器件，能够在刚性和柔性状态之间自由切换，提高了电路控制精度，促进集传感、驱动和决策功能于一体的智能柔性机器人系统的实现（图5）。

图4 4D打印数字像素超材料智能信息载体。

图5 基于多刺激响应梯度超材料的可变刚度逻辑电子器件设计。