Adv. Sci. 前沿：非零高斯曲率3D结构可逆转换！液晶弹性体多级形变新策略
01 导语
你见过小麦芒为了传播种子，能自己“钻”进土壤吗？见过捕蝇草闪电般合上叶片捕捉昆虫吗？自然界的生物总能靠精妙的形状变化适应环境，而现在，科学家们让人造材料也学会了这门“生存技能”。
近日，同济大学团队与宁波大学合作，在国际顶级期刊《Advanced Science》发表了一项突破性研究——他们研发出一种能像生物一样实现“3D到3D”可编程变形的材料，不仅能变形成复杂形状，还能跟着温度“变色”，未来有望用在伪装、信息加密、柔性机器人等场景。
02 核心突破
分层多模态变形策略
传统LCE材料多局限于2D到3D的简单形变，而本研究首创“LCE-弹性体双层结构”，通过两步精准控制实现复杂3D形态的层级转换：
1. 预应变驱动：将预拉伸的LCE薄膜与光敏弹性体结合，释放应力后自发折叠成定制3D结构（如螺旋、鞍形）
2. 热应变驱动：加热触发LCE分子无序化，使已形成的3D结构进一步变形为全新形态（如弧形→圆环、螺旋→螺旋收缩）
关键技术突破：
通过DLP光固化打印预设图案，精准控制局部应变方向
利用分子取向与预应变角度的组合，实现非零高斯曲率变形
变形过程完全可逆且稳定，经5次循环无性能衰减
自然启发的神奇应用
研究团队将热致变色墨水与变形结构结合，创造出令人惊叹的仿生系统：
智能伪装“变色龙”
25℃时呈棕色融入环境
遇热（110℃）6秒内肢体收缩并变红示警
求偶信号“机械蝴蝶”
停驻树枝时翅膀闭合呈蓝色
受热后翅膀展开变紫色吸引配偶
森林中的“密码树叶”
常态为卷曲绿叶完美伪装
加热后叶片展开变橙，显影隐藏的粉色文字信息
03 打开未来技术的三扇门
1. 软体机器人革命
多模态变形能力让机器人可适应复杂环境（如折叠穿越狭缝→展开执行任务）。
2. 智能自适应设备
动态变色与形变结合，为军事伪装、可穿戴设备提供新思路。
3. 信息加密新维度
三维结构+颜色双重加密，防伪能力远超平面系统。
正如论文通讯作者李辰喆教授所述：“我们模仿了自然界的变形智慧，但赋予了它超越生物的可编程特性。” 这项跨越材料学、力学与仿生学的突破，或将重新定义未来智能设备的形态边界。
图1：机制与编程策略总览
分层多模态变形的机制与编程。
a) 这两种分级变形分别由LCE-Ela双层结构的预拉伸应变和LCE材料的热应变实现。LCE层内的预应力被释放，导致双层薄膜变形为三维结构；随后，通过热驱动，该三维结构在LCE材料各向异性热变形的驱动下进一步转变为其他三维构型。
b) 通过设计图案化失配应变，并在特定方向上施加预应变和热应变，实现了可编程的所需三维LCE-Ela结构和多模态三维形状变形(i)。此外，该策略通过涂覆热致变色墨水，能够轻松创建具有三维形状转换和颜33色变化的逼真三维LCE-Ela结构，用于仿生伪装(ii)和信息加密(iii)。
图2：制造流程与材料特性
具有通过应力松弛诱导失配应变实现3D到3D分层形状变形策略的3DLCE-Ela结构及其LCE薄膜的力学与热力学性能。
a) 代表性2DLCE-Ela前驱体的制造过程示意图以及由其组装而成的3DLCE-Ela结构的可逆3D-3D形状变形行为：
i) 将预拉伸的LCE薄膜固定到载玻片上。
ii) 将光敏树脂注入薄膜上，并在其上放置另一块载玻片以形成反应池。
iii) 使用DLP打印将图案投影到树脂上，在LCE薄膜上固化一层Ela。
iv) 将打印样品沿固化图案周围切割，获得LCE和Ela的双层结构。
v) 附着在玻璃基底上的2D前驱体。
分层形状变形包括：
vi) 组装3D变形：通过将2D前驱体从玻璃基底上释放，由LCE-Ela双层中的预应变诱导产生。
vii) 驱动3D变形：通过LCE-Ela双层中的热应变诱导产生。
b) LCE薄膜沿取向平行方向(D∥)和垂直方向(D⊥)的热应变-温度曲线。
c) LCE薄膜沿D∥和D⊥方向的应力-应变曲线。
d) LCE薄膜的差示扫描量热法(DSC)测量结果。
所有比例尺：3mm。
图3：矩形条带变形调控原理
预应变和热应变的幅值与分布对矩形二维前驱体组装形状和驱动形状的影响。
a) 矩形二维前驱体的制备示意图：其中预应变方向（蓝色箭头）和分子取向（红色箭头）均与其纵向平行，及其在不同温度下的形状。
b) 曲率半径(R)关于预应变(𝜖P)和热应变(𝜖T)的等值线图。
c) 采用不同预应变(𝜖P=5%,10%和15%)组装的弧形LCE-Ela结构在不同温度下的曲率半径的实验(Exp.)、有限元分析(FEA)和理论结果。
d) 弧形LCE-Ela结构在重复加热(110°C)和冷却(25°C)循环下曲率半径的变化。
e) 三种矩形二维前驱体的制备方法：通过在预拉伸(𝜖P=10%)的LCE基底上沿取向平行方向的不同位置印刷Ela层，以及它们组装形状和驱动形状的有限元分析(FEA)和实验(Exp.)结果。
所有比例尺：3mm。
图4：花形结构多方向变形编程
一种实现花朵状3DLCE-Ela结构多方向可定制三维形状转变的设计策略。
a) 具有八种不同预应变方向（蓝色箭头）和分子取向（红色箭头）的花朵状二维前驱体的制备方法：通过组合四种拉伸方法与两种印刷配置实现。
b) 这八种花朵状二维前驱体的设计流程、有限元分析(FEA)和实验(Exp.)结果，展示其组装形状和驱动形状。
所有比例尺：3mm。
图5：复杂形状3D到3D变形实例
实验数据与有限元分析（FEA）预测结果展示了多重弯曲三维LCE弹性结构的形成过程：这些结构由图案化设计的二维前驱体制备而成，具有变化的预应变方向（蓝色箭头）和分子取向（红色箭头），并呈现出可逆的三维形态转换：(i)翼形，(ii)蝠鲼形，(iii)蚁形，(iv)块垒形，(v)卷饼形，(vi)掌形，(vii)降落伞形。所有标尺长度：5毫米。
图6：仿生伪装与信息加密应用
受生物启发的概念验证性应用：具有动态同步形变与变色功能的三维液晶弹性体结构
a) 三种仿生三维液晶弹性体结构的二维前驱体，包括：i)变色龙
ii)蝴蝶iii)蜘蛛及其在升降温过程中不同时间点的可逆三维形态转换与颜色变化
b) 将这些三维仿生结构置于真实自然环境中，展示其在热刺激驱动下的自适应形变与变色
c) i) 具备信息加密与伪装功能的叶片状三维液晶弹性体结构：左侧为二维前驱体，右侧展示不同温度下的形态与颜色变化
ii) 叶片状结构在常温下与环境融隐实现伪装（左），受热后发生形变变色显露隐藏信息（中），撤除热源后恢复初始形态与颜色（右）
所有标尺：5毫米
【注】小编水平有限，若有误，请联系修改；若侵权，请联系删除！