大家好！今天我们来了解一篇《Hydrogel muscles powering reconfigurable micro-metastructures with wide-spectrum programmability》发表于《Nature Materials》的文章。在超材料的研究领域，如何实现从单一几何形状到多种配置的可编程转变一直是个难题。本文将为大家介绍一种利用线性响应透明水凝胶作为人工肌肉的策略，它为可重构微超结构带来了宽光谱可编程性。这种创新不仅克服了现有超材料的局限，还在信息加密、微型机器人等多个领域展现出巨大的应用潜力，让我们一同深入了解。
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一、研究背景与目标
超材料是一类由周期性排列基本单元组成的人工材料，具有超越自然材料的特殊性质。然而，现有的超材料在几何变换方面存在局限，难以实现从单一初始几何形状到多种最终配置的可编程转变。本研究旨在提出一种新的策略，利用水凝胶作为人工肌肉来驱动可重构微超结构，实现宽光谱可编程性，拓展超材料的应用范围。
二、基于水凝胶肌肉的可重构微超结构设计
（一）概念与制造过程
1 、驱动机制
采用线性响应水凝胶（LIHAM）作为人工肌肉。例如，像真实肌肉一样，软的水凝胶能够收缩，从而压缩由双光子聚合（2PP）光刻胶制成的嵌入骨架。
这种收缩和扩张由加热和冷却分别诱导，实现了打印超结构的可逆转变。
2 、制造步骤
首先，通过2PP-基于3D微打印技术在玻璃基板上制造可变形的2D或3D微超结构，分辨率可低至100 nm。
然后，在图案化的超结构上方组装一个毛细管玻璃单元，通过在每个角落放置聚苯乙烯球来实现所需厚度。
接着，将水凝胶前体渗透到毛细管单元中，并通过紫外线处理使微超结构嵌入交联的水凝胶中。
（二） LIHAM 的合成与优势
1 、传统 PNIPAM 水凝胶的问题
传统的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝胶，其变形由聚合物链的温度介导的亲水-疏水转变驱动，但通常会导致网络链的灾难性坍塌，形成密集的疏水聚集体。
这种聚集体会阻碍水的扩散，减缓变形过程，并且由于非线性变形导致如气泡皮等显著的形态变化，还会降低水凝胶的透明度。
2 、 LIHAM 的合成与性能
为解决这些问题，采用三元共聚策略合成LIHAM。由N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、2-羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）和丙烯酰胺（AM）单体与聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）作为交联剂共聚而成。
与纯PNIPAM水凝胶相比，合成的聚（NIPAM-co-HEMA-co-AM）水凝胶在保持高透明度的同时表现出非常均匀的变形。
例如，当加热到60°C时，LIHAM在580 nm波长下的透光率损失可忽略不计（3.4%），而PNIPAM则有71.2%的显著损失。
三、微超结构的变形机制
（一）构建块的变形行为研究
1 、实验与分析方法
以矩形截面的直梁作为系统的构成构建块进行研究。通过原子力显微镜（AFM）观察到梁阵列具有亚微米分辨率，其拓扑结构和截面具有可重复性。
当3D打印的梁嵌入LIHAM水凝胶基质并受热时，水凝胶各向同性体积收缩，而打印结构不变，导致梁屈曲成均匀的正弦曲线形状。
通过非线性有限元分析（FEA）进一步研究打印梁的屈曲行为，结果与实验观察相符。
2 、变形过程与参数影响
研究打印梁在不同温度下的形状演变，用余弦函数（y=Acoskx）定量描述变形过程，并测量波长（λ）、振幅（A）、节点旋转角（R）和轴向长度（L）等参数。
梁在加热过程中经历均匀压缩（阶段I）和屈曲（阶段II）两个阶段。在阶段I，轴向长度均匀收缩，无明显波结构；达到阈值温度后，梁突然屈曲，在阶段II，A和R增加，λ和L随温度升高继续减小。冷却后参数恢复，但有小的滞后。
梁的屈曲几何形状受打印梁的弹性模量与LIHAM基质的弹性模量之比以及梁的弯曲刚度影响，同时也由2PP制造过程中的3D打印参数（扫描激光功率和扫描速度）决定的打印梁的截面几何形状决定。
例如，随着扫描功率增加，打印梁截面的宽度（l）和高度（h）增加，相应地，波长（λ）和振幅（A）也增加。
（二） 2D 和 3D 可重构微超结构的设计原则
1 、相邻梁的距离要求
对于2D可重构超结构，相邻梁之间的距离（即阴影距离D）应是波结构半波长（λ/2）的整数倍（D=nλ/2），以确保在变形过程中不产生缺陷。
2 、扫描功率对形态的影响
通过改变扫描功率，具有相同初始晶格（D=10μm）的金属晶格可以变换成不同形态。例如，用50mW扫描功率制造的晶格在加热时可逆地变换成相邻节点间有半波长（λ/2）的新形态，而用20mW扫描功率制造的晶格则变换成相邻节点间有一个波长（λ）的不同形态。
3 、手性和非手性转变
在变形过程中，相交的梁围绕每个节点以相同的角度和方向旋转，从而可以控制屈曲模式的手性。例如，在正方形晶格中，当规定的n是半波长（λ/2）的奇数倍（n=2k+1）时，屈曲模式是非手性的；当n是偶数倍（n=2k）时，屈曲模式是手性的。
4 、 3D 可重构微超结构
该设计原则也可应用于3D架构。例如，打印一个由高纵横比梁组成的3D帐篷状架构，通过共聚焦荧光显微镜观察其在不同温度下的3D架构变化，在50°C时，帐篷状架构包括圆锥和径向底部发生变形，底部顺时针旋转，圆锥形成复杂形态。
四、宽光谱可编程性的应用
（一）信息加密应用
1 、灰度信息编码
以《蒙娜丽莎》绘画为例，将其100×100像素离散图像的每个像素的灰度值转换为10,000个打印交叉单元的扫描功率映射，每个单元尺寸为10×10μm²。
由于扫描功率连续变化，相应的打印单元可以变换成宽光谱图案，从而实现信息加密。
2 、加密与解密过程
当加热由LIHAM驱动的打印金属晶格时，在50°C下，10,000个屈曲的交叉单元协作呈现出《蒙娜丽莎》绘画的图像。
变形后的图案在不同位置差异很大，易于区分。例如，头部、胸部和背景区域的细节明显不同。
通过循环加热和冷却测试证明了金属晶格的良好可逆性和稳定性（补充图15）。
分析变形后单元细胞的形状描述符，如面积、实性、圆形度和纵横比等参数的变化，表明发生了高度的形状转变。
（二）光学各向异性的编程应用
1 、双折射行为基础
研究发现2PP处理的光栅在交叉偏振器下由于折射率沿光栅线的周期性变化而表现出双折射行为，这种行为也存在于单个打印梁和两个垂直梁（交叉单元）中。
2 、光学各向异性的编程实现
以《戴珍珠耳环的少女》绘画为例，将其像素的灰度值转换为10,000个交叉单元的打印角度映射。
当交叉单元被LIHAM驱动时，它们变换成两个相交的正弦曲线轮廓，在交叉偏振器下光强度均匀，消除了原始的光学各向异性。例如，一个45°和135°方向的交叉单元在驱动后赋予结构全方位的光学信息。
通过调节交叉单元的角度信息，可以在单个交叉单元中实现额外的各向异性光学效应，并且在加热时，编码在超结构中的图像逐渐消失，冷却时可恢复。
五、研究结论与展望
（一）主要成果总结
本研究提出了一种基于线性响应水凝胶肌肉的可重构微超结构的可编程策略，实现了宽光谱的图案变换和光学各向异性的编程。证明了该策略可应用于各种材料和几何形状的微超结构，并展示了在信息加密、微型机器人、光子学和声子学等领域的应用潜力。
（二）未来研究方向探讨
未来可进一步探索水凝胶肌肉的性能优化和新型材料的应用，以提高可重构微超结构的性能和功能。同时，研究可重构微超结构在生物医学、能源和环境等领域的应用，拓展其应用范围。
六、一起来做做题吧
1、超材料几何变换的局限主要在于（ ）
A. 难以实现从单一初始几何形状到多种最终配置的可编程转变
B. 无法在微观尺度进行制造
C. 其基本单元的排列不够规则
D. 对外部刺激响应不灵敏
2、可重构微超结构制造过程中，在图案化超结构上方组装毛细管玻璃单元的目的是（ ）
A. 为了美观
B. 实现所需厚度
C. 便于观察
D. 提高结构强度
3、与传统 PNIPAM 水凝胶相比，LIHAM 的主要优势在于（ ）
A. 更强的收缩力
B. 更好的生物相容性
C. 均匀变形且高透明度
D. 更低的成本
4、打印梁在加热过程中的变形阶段不包括（ ）
A. 均匀拉伸
B. 均匀压缩
C. 屈曲
D. 恢复原状
5、对于 2D 可重构超结构，相邻梁之间的距离应满足（ ）
A. 是波结构波长的整数倍
B. 是波结构半波长的整数倍
C. 任意距离均可
D. 是梁宽度的整数倍
6、在信息加密应用中，以《蒙娜丽莎》绘画为例，是将其图像的什么信息进行编码？（ ）
A. 颜色信息
B. 像素位置信息
C. 灰度信息
D. 轮廓信息
7、在光学各向异性编程应用中，驱动交叉单元后，原始光学各向异性（ ）
A. 增强
B. 不变
C. 被消除
D. 随机变化
参考文献：
Zhang M, et al. Hydrogel muscles powering reconfigurable micro-metastructures with wide-spectrum programmability. Nat Mater. 2023 Oct;22(10):1243-1252.