能快速变换复杂形状的柔软三维电磁结构

动态实时变形的软3D系统在柔性电子、生物医学设备和软机器人等领域有广泛应用。现有方法通常依靠预拉伸弹性基底的应力松弛将2D前驱体转变为3D结构，但这些结构在变形后缺乏进一步的局部可编程能力。本研究介绍了一类软3D可变形电磁结构，能够实现快速、可逆的形状变换，即使在初始3D变形后也能进行精确的局部编程，可获得此前难以实现的复杂几何形状和运动。

软形状变形结构能动态改变形状，在生物学中普遍存在并执行关键功能，这启发了用于柔性电子、软机器人和智能药物等新兴应用的人造技术。活性材料（如液晶弹性体、水凝胶等）常与折纸、剪纸等工程策略结合构建软形状变形系统，但在可编程性、形状复杂性、变形速度和形状固定方面仍存在挑战，如难以精确局部调整形状、无法形成复杂3D形状、动态应用响应慢、无持续外部刺激时难以维持变形形状等。

本研究提出的软3D电磁系统可快速、可逆地变形为复杂构型，并具有可编程的局部控制能力。该系统利用液态金属（主要用作被动可变形导体）的独特特性，结合机械引导组装：通过2D软光刻技术将液态金属图案化并密封在硅基微流控通道中，再通过受控压缩屈曲将其转变为一阶3D形状；在磁场中通过液态金属微通道施加电流，进一步将这些一阶形状变形为具有大局部变形度的高阶构型。在有限元分析的指导下，近十余种结构和50多种不同高阶形状的形成证明了该方案能创建此前无法实现的复杂几何形状。此外，液态金属的相变可实现形状固定，形成独立的3D结构。作为应用示例，展示了4D电子系统——3D可重构发光器件，其亮度可通过形状变形调节。

该方法将压缩屈曲与可编程洛伦兹力相结合，扩展了变形范围。对于代表性带状结构，仅洛伦兹力或仅压缩屈曲只能产生1D变形空间，而两者结合可形成2D变形空间。通过调整预应变和洛伦兹力，可连续调控制变形。液态金属微通道图案设计影响高阶形状的数量和复杂性，多通道设计能实现多种类似欧拉-伯努利梁模式的高阶形状。改变外部磁场方向、结合路径控制压缩屈曲（控制双轴预拉伸弹性体平台的预应变释放顺序）可进一步增加可实现的高阶形状数量。

此前的例子需持续施加洛伦兹力维持二阶形状，而多稳态结构无需持续能量输入，洛伦兹力只需暂时克服两稳定状态间的能垒即可实现切换。利用液态金属的相变特性（如镓在约29°C熔化），通过蒸发冷却使镓在1秒内固化，可锁定结构形状，实现形状固定并获得独立结构，在环境温度低于29°C时保持锁定形状。

这种3D结构还能支持额外功能，液态金属微通道可同时作为主动形状变形元件和功能导体。集成功能组件（如无线供电发光系统）后，这些3D可变形结构可转变为4D电子设备，动态改变构型和功能。例如，折纸启发设计的中心平台通过压缩屈曲抬升，施加电流可使其向四个方向倾斜，集成无线供电发光系统后，通过形状变形动态调节亮度，展示了该平台在精确释放颗粒的药物递送系统等领域的应用潜力。

总之，本工作实现了3D制造后的实时局部形状可编程。通过受控压缩屈曲将液态金属微流控的2D前驱体转变为一阶3D结构，基于洛伦兹力的驱动可独立控制嵌入结构中的液态金属微通道，实现高阶形状间的快速可逆转变。该系统结合了材料、3D制造、软致动器和控制技术的进步，以多物理场有限元分析为有效设计工具。虽然大多数演示在毫米尺度，但原则上可扩展到微纳尺度。磁场控制、路径控制屈曲和多稳态结构设计的结合极大扩展了复杂3D形状的范围。液态金属相变实现了形状固定和独立结构的形成。4D发光系统的应用展示了该平台的独特能力，其与各种功能材料的广泛兼容性为3D可重构设备、软机器人和生物医学仪器提供了多样化机会。