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  二維平面狀高分子材料在光、溫度、濕度等多種外界刺激下的3D可控變形的研究越來越受到重視，且在軟體機(jī)器人，柔性器件與傳感器等方面潛在應(yīng)用潛力巨大。然而，將二維（2D）薄膜可控變形為三維形狀仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)聚合物平面內(nèi)尺寸的可控變化存在難度，往往只能實(shí)現(xiàn)零高斯曲率的形變。從目前的研究情況來看，平面片狀材料的可控變形主要有兩種設(shè)計(jì)策略，即：厚度方向與平面內(nèi)的非均勻設(shè)計(jì)。最經(jīng)典的厚度方向設(shè)計(jì)策略通常是由刺激響應(yīng)性的主動(dòng)層和非活性被動(dòng)層雙層結(jié)構(gòu)組成。但是通常的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只能產(chǎn)生平均曲率的變化，其高斯曲率始終為零。相比于雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，平面內(nèi)的非均勻設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生高斯曲率和平均曲率的變化。然而，現(xiàn)有的平面內(nèi)非均勻設(shè)計(jì)需要復(fù)雜的非均勻，或者非連續(xù)的材料設(shè)計(jì)，比如，液晶相取向、切割縫、鏤空結(jié)構(gòu)等。因此，這種設(shè)計(jì)策略的應(yīng)用也受到一定限制。近年來，也有學(xué)者在厚度方向構(gòu)筑交聯(lián)密度的非均勻性，同時(shí)結(jié)合平面內(nèi)的交聯(lián)密度圖案化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)3D可控變形。但是，目前的設(shè)計(jì)策略都需要材料非均勻性設(shè)計(jì)，這會(huì)明顯影響材料的性能與應(yīng)用。

圖1. 雙層變形材料的厚度梯度設(shè)計(jì)、制備及3D可控變形的實(shí)現(xiàn)

圖3. 基于被動(dòng)層厚度梯度設(shè)計(jì)的“海星”、“蝌蚪”形態(tài)變形。

  進(jìn)一步，作者通過配位鍵的引入，以及聚合單體比例的調(diào)控等方法，改變主動(dòng)層和被動(dòng)層的材料性質(zhì)及幾何尺寸等，詳細(xì)探討了被動(dòng)層幾何尺寸、子層設(shè)計(jì)、材料性質(zhì)、被動(dòng)層厚度梯度序列以及拓?fù)涮攸c(diǎn)對(duì)3D可控變形的影響。由于此3D變形材料的變形驅(qū)動(dòng)力來源于主動(dòng)層的脫水收縮，因此該3D變形材料也表現(xiàn)出很好的變形可逆性。利用該UVM-TG設(shè)計(jì)策略可實(shí)現(xiàn)如圖2、3所示的多種復(fù)雜3D形態(tài)，如：跑車、海星、蝌蚪等變形。與其他需要復(fù)雜的材料非均勻性或非連續(xù)性設(shè)計(jì)的3D可控變形策略相比，作者提出的UVM-TG設(shè)計(jì)策略保持了材料的均勻性和連續(xù)性，且制備過程簡(jiǎn)單、高效，變形過程中沒有明顯的不可控的表面屈曲與褶皺，為軟體機(jī)器人等方面的應(yīng)用提供了新的材料設(shè)計(jì)思路。

  以上研究成果以“Biomorphogenesis-Inspired Three-Dimensional Shape Transformation of Bilayer Polymer Sheets”為題發(fā)表于Chemistry of Materials（Doi: 10.1021/acs.chemmater.4c00049）。寧波大學(xué)材化學(xué)院碩士生緱凱與王雷為共同第一作者，通訊作者為寧波大翁更生教授。本研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（22175100），浙江省自然科學(xué)基金（LY22E030001）與寧波市自然科學(xué)基金（2022J102）的資助。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.4c00049