在软机器人与生物医学工程领域，可编程形状变形材料具有巨大的应用潜力，然而，如何实现复杂三维结构的可逆与精确控制一直是一个关键挑战。这主要是由于在空间中精确编程非线性力学及构建驱动拓扑结构极为困难，同时软材料在外界刺激下可能呈现多种复杂变形行为，进一步增加了调控的难度。
近日，宁夏大学冒杰副教授和浙江大学肖锐研究员、毛国勇研究员合作提出了一种基于剪切辅助数字光处理（DLP）的4D打印策略，实现了对介电液晶弹性体（DLCE）机械各向异性的时空编程。该打印方法无需模板，通过调控局部剪切场排列液晶分子，并在紫外光下固化形成多层结构。打印出的DLCE执行器在电场作用下可实现弯曲、扭转及复杂曲面等多维可逆形变。研究者还开发了一套逆设计算法，可将目标三维曲面转化为可执行的打印指令，成功重建了包括熊猫面部、仿生植物及黄河地貌在内的复杂几何结构，精度达到亚毫米级，展现出在软机器人与自适应系统中的广泛应用前景。相关论文以“Spatiotemporally programmed dielectric liquid crystal elastomer: Electro-reversible 3D morphing via inverse 4D printing”为题，发表在Science Advances上。
研究团队通过剪切辅助打印实现了液晶分子的局部定向排列。在打印过程中，刮刀速度与高度等参数被精确控制，以优化液晶排列的有序性。偏振光学显微镜与二维广角X射线散射结果显示，随着剪切速率提高与刮刀高度降低，液晶分子从初始的随机排列逐渐转变为高度有序的向列相结构，有序参数最高可达0.66。打印出的DLCE薄膜表现出显著的机械各向异性：平行于分子排列方向的杨氏模量高达809 kPa，而垂直方向仅为230 kPa。此外，该材料在垂直排列方向上具有高达6.8的介电常数，远超传统介电弹性体，使其在电场中能实现高达21%的单轴应变响应，响应与恢复时间分别仅为0.17秒与0.07秒。
图1. DES中空间分布机械各向异性的无模板编程和逆设计，实现电驱动下的可逆3D形状变形。
为进一步验证该策略的有效性，研究者设计了基于双层结构的弯曲驱动单元。在电场作用下，剪切与非剪切层之间的应变失配导致薄膜发生面外弯曲，最大弯曲角度可达70°。通过组合多个弯曲单元，研究团队成功构建了S形结构、扭转三角片、金字塔展开、仿花绽放及风车折叠等多种可展开曲面形变。这些结构的实验观测与有限元模拟结果高度一致，表明所建立的机电耦合模型能有效指导复杂形变结构的设计。
图2. DLCE薄膜的结构和电机械表征。
图3. 具有精确控制可展开曲面形变的弯曲单元。
除了可展开曲面，该技术还可用于编程具有高斯曲率的非可展开表面。研究者通过构建二进制矩阵（“0”代表非剪切区，“1”代表剪切区）来调控局部驱动行为，实现了零、正、负高斯曲率等多种曲面形变。例如，通过设计环形排列的剪切单元，成功构造出截锥、双层蛋糕及多级波纹等复杂曲面。实验表明，驱动位移随电场强度、执行器尺寸及液晶排列方向的变化而可调，验证了该策略在复杂曲面构建中的灵活性与可控性。
图4. 通过4D打印编程高斯曲率及其他非可展开曲面。
为实现对非对称复杂曲面的高精度重构，研究团队开发了一套逆设计流程。以三维熊猫面部为目标曲面，通过激光扫描获取坐标数据，利用MATLAB提取等高线并计算液晶排列方向与层数分布，最终生成三组不同排列角度的打印区域。实验结果显示，打印出的DLCE薄膜在电场驱动下能准确复现目标曲面轮廓。同样地，该方法还被用于重建具有19片花瓣的仿生植物“Graptoveria Amethorum”以及中国黄河地貌的复杂地形。其中，黄河地貌执行器甚至能利用高度差实现液体输运功能，显示出在仿生流体系统中的潜在应用价值。
图5. 复杂非可展开曲面的逆设计。
这项研究成功展示了一种无模板编程与逆设计相结合的策略，实现了DLCE材料在电场驱动下的快速、可逆与复杂三维形变。该方法具备高时空分辨率、优异疲劳寿命（超过2万次循环）与毫米级形变保真度，为软体机器人、可重构微流控及生物医学设备等领域提供了新的技术路径。未来，研究将致力于提升系统可扩展性、集成多刺激响应能力，并进一步优化材料输出力与计算效率，以拓展其实际应用范围。