IJEM~高可编程性4D打印多形态渐变超材料与多功能器件

超材料凭借其天然材料所不具备的卓越物理特性，已成为智能设备与系统的核心组件。然而，其应用仍面临诸多亟待解决的挑战，包括制造后机械性能固定、设计自由度受限等问题。本研究开发了热响应型、光响应型、电响应型及磁响应型形状记忆聚合物纳米复合材料，并采用多材料4D打印技术制备了形状记忆梯度超材料。通过系统分析设计参数与多响应梯度超材料机械性能之间的关联机制，实现了高度可设计、可编程的梯度超材料结构与力学性能。更重要的是，这种4D打印的多响应形状记忆聚合物梯度超材料无需额外基础设施即可实现原位编程，为单一结构实现多功能性开辟了新途径。基于此类多响应梯度超材料，我们成功制备出具备定制化加密解密协议、卓越可扩展性及可重复利用特性的4D打印数字像素超材料智能信息载体。此外，研究人员还开发了4D打印梯度超材料逻辑门电子器件，该器件有望推动智能自适应机器人系统的发展，这类系统集成了传感、驱动和决策功能。

综上所述，我们通过多材料4D打印技术成功开发出多响应型SMCs，并以简便经济的方式制备出多形状梯度超材料，这为智能信息载体和智能柔性机器人系统展现出巨大应用潜力。通过对4D打印多响应梯度超材料可编程机械特性的系统分析，揭示了韧带与节点设计参数与超材料机械性能之间的关联机制。结合二进制语言与摩尔斯电码，我们开发出可编程数字像素超材料作为智能信息载体，实现了信息加密与擦除协议的高度独立性、可扩展性及个性化设计。更引人注目的是，基于这种多响应、高可编程梯度超材料，我们开发出可在刚性与柔性状态间自由切换的可变刚度逻辑电子器件，该器件能有效处理数字信号并精确控制电路，有望实现集传感-驱动-决策功能于一体的智能柔性机器人系统。