在不同区域具有不同性能的多材料在生物体中普遍存在，将这种异质性应用于器件中，可以产生多种功能和应用。对于软体机器人材料，这种多材料集成将实现更丰富的驱动模式和更强的环境适应性。通过在空间水平上对材料性能进行控制，软体机器人材料可以进一步实现可编程机械性能、可调节响应以及复杂任务的协调多功能性。液晶弹性体（LCE）结合了快速刺激响应行为和高可逆应变能力，已成为一类具有良好前景的软机器人材料。其可逆驱动可以通过控制均质LCE中液晶基元的取向来实现，但开发具有异质机械和驱动性能的多材料LCE仍然是一个重大挑战。传统LCE异质性的构筑方法，如焊接薄膜、动态共价键交换、空间选择性化学反应等方法，通常无法实现LCE在空间异质性与具体性能的精确控制。

  近日，浙江大学郑宁研究员课题组提出了一种LCE空间异质性的数字编程策略，即在LCE聚合过程中引入光照与加热引发的顺序正交反应，通过改变网络的拓扑结构实现对LCE性能的调控。研究团队使用图案化的数字光对聚合过程进行时空调节，构筑了离散与梯度化的异质拓扑结构，从而在单个LCE材料中实现相变温度、驱动响应和光学性质的多材料集成。

  2025年10月22日，该工作以“Accessing Multi-Material Liquid Crystal Elastomers Via Digitally Programmable Network Topologies”为题发表在Advanced Materials上。文章的共同第一作者是浙江大学博士研究生盛逸和博士研究生周筱睿。

  在该研究中，光照与加热作为两种正交的聚合反应，通过不同的引发顺序造成LCE网络的拓扑结构差异。如图1所示，LCE单体体系包含了（甲基）丙烯酸酯基、巯基与异氰酸酯基。由于巯基是光照反应与加热反应的共同反应物，前序反应中巯基的消耗会影响参与后序反应的基团配比，从而造成了先加热后光照（Heat-Light）与先光照后加热（Light-Heat）这两种顺序的反应结果差异。其结果导致Heat-Light顺序产生轻度交联的网络，而Light-Heat顺序产生密集交联的网络。

图1 基于顺序正交聚合反应的拓扑结构异质化策略

  这种由反应顺序不同造成的网络拓扑结构的差异，可以应用于LCE中以改变其液晶相的性质。如图2所示，合成LCE的单体包括了液晶单体RM257、扩链剂DODT与“差异促进剂”IEMA。IEMA作为异氰酸酯基团的提供者，其加入量影响了两种顺序下得到的聚合物性能差异的大小。研究团队发现，IEMA的加入量对拓扑结构的影响会使得材料的光学、机械以及热性能发生改变。Heat-Light样品的液晶相更加完整，其性质趋向于LCE；而Light-Heat样品则具有更高的模量与透明度，趋向于普通弹性体。利用这一特性，可以将两种不同拓扑结构的LCE网络集成在同一材料中，实现具有防伪功能的温度响应性图案。

图2 两种反应顺序所得到的LCE及其性质

  为进一步探究两种LCE的差异性，研究团队对LCE液晶基元取向性质与驱动能力进行了研究。如图3所示，Heat-Light样品中有大量动态键，可以通过在外力下引发动态键交换与应力松弛的方式固定液晶基元的取向。由于Heat-Light样品具有较低的交联密度，其液晶基元可以自由排列，通过此方法可以获得较大的双向驱动应变，而Light-Heat样品的交联密度过高，几乎无法驱动。通过这一差异，可以实现在同一LCE材料的不同区域引入不同的变形行为，从而实现复杂的可逆驱动。

图3 LCE薄膜的取向与复杂变形

  研究团队注意到，在Light-Heat顺序中控制前序光照的强度和时间，可以使得所得到的聚合物性能处于Heat-Light与Light-Heat之间的过渡态。如图4所示，通过调节前序光照的强度，可以得到相转变温度处于中间态的LCE材料。进一步地，将具有特定空间强度分布的图案化数字光用于前序光照，可以得到带有相转变温度异质性的多材料LCE，甚至可以实现相转变温度沿特定方向的梯度变化。除图案化外，如此带有过渡态相转变温度的多材料LCE还可以实现冷却过程中的按序折叠变形。

图4 梯度数字光编程LCE图案化

  该研究通过顺序正交反应编辑网络拓扑结构，实现了无缝的LCE多材料集成。其对光反应动力学的精确控制提供了理论无限的网络拓扑结构多样性，超越了现有技术的局限性。使用该策略，可以制造带有精细光学和驱动性质的多材料LCE，在防伪以及驱动器等领域具有应用潜力，为先进的软体机器人材料提供新的范式。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202507324