可电控变形的智能软材料：逆向4D打印实现三维形状自由切换

刺激响应型材料能实现可编程的2D到3D形状转变，已推动柔性电子、软机器人和生物医学工程的发展。然而，由于难以对非线性力学进行空间编程及构建驱动拓扑结构，实现复杂形状变形的可逆精确控制仍是一大挑战。此前的介电弹性体执行器（DEA）在打印分辨率、界面缺陷及构建复杂3D曲面方面存在局限。

为解决这些问题，本研究提出无模板编程与逆设计策略。利用含刚性液晶基元的光固化弹性体，开发了带可移动刮刀的剪切辅助数字光处理（DLP）4D打印方法，用于制备介电液晶弹性体（DLCE）。该方法通过打印参数调控局部网络拓扑，借助嵌入的剪切流场精确取向液晶基元，实现具有时空可编程力学异质性的紫外固化多层结构。与基于直接墨水书写（DIW）的3D打印相比，此策略在分辨率（约150μm）、液晶基元有序度、界面结合质量和制造速度上具有显著优势。

打印的DLCE表现出明显的力学各向异性：平行于指向矢方向的杨氏模量约为809kPa，垂直方向约为230kPa（与传统介电弹性体相当）。其垂直于液晶畴排列方向的介电常数高达6.8，远高于多数传统介电弹性体（如3M VHB胶带为4.7），结合独特的各向异性力学性能，在电场下因麦克斯韦应力可产生高度各向异性形变，单轴应变达21%（是各向同性DLCE膜的4倍），响应/恢复时间小于0.2秒，且能承受2万次以上循环而不易疲劳。

在可展曲面形变方面，通过设计由未剪切和剪切DLCE层组成的弯曲单元，实现了弯曲、S形、扭转、金字塔、花朵和风车等复杂形变，有限元模拟结果与实验吻合良好。在不可展曲面方面，通过矩阵编程剪切/未剪切区域，成功构建零、正、负高斯曲率表面，以及双层蛋糕、多级波纹等复杂结构。

研究还开发了逆设计算法，将目标3D表面转化为可执行的打印任务，通过将高维3D各向异性编程转化为可处理的2D参数化任务，显著降低计算复杂度。利用该算法，成功制备出熊猫脸、19瓣仿生多肉植物（Graptoveria Amethorum）及黄河地貌等复杂3D结构，其中黄河地貌结构还实现了液体输运功能，展示了在软机器人、自适应系统、微流控和生物医学设备中的应用潜力。

当前系统存在材料不可重编程、输出力有限、边界条件固定及计算成本高等局限，未来将致力于提升可扩展性和集成多刺激响应机制。