在光、电等外场激励下，智能软材料能够从一张简单的薄片变形为复杂的立体结构。这种二维到三维的形态切换能力，使其在软体机器人、生物医疗器件等领域具有重要的应用前景。当前，激励响应型软材料发展迅速，但普遍存在响应速度慢、形变恢复不完全、制造精度有限等缺点。此外，通过对响应性软材料结构进行精确的时空编程，进而实现可控变形与复杂非线性力学行为的逆向设计，也是当前软材料力学与4D打印领域所面临的重要挑战。

  近日，宁夏大学冒杰副教授与浙江大学毛国勇研究员、肖锐研究员合作提出了一种剪切辅助的数字光处理（DLP）4D打印方法，通过对介电液晶弹性体（DLCEs）的力学各向异性进行时空编程，结合逆向设计算法，实现了电场驱动下的复杂三维可逆变形。

  2025年11月26日，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期刊。

  通过在光固化弹性体中引入刚性液晶基元，研究团队开发了一种包含移动刮刀的剪切辅助DLP打印方法（图1）。该方法利用打印过程中刮刀产生的剪切力，使液晶基元沿剪切方向定向排列，并随即通过紫外光固化锁定其取向，从而在无需模板的情况下实现了对局部网络结构的各向异性编程。制备出的DLCE薄膜在垂直于液晶排列方向表现出高介电常数，结合其独特的力学各向异性，在电场作用下能够产生高达21%的单轴应变响应，且响应速度快（<0.2秒）、抗疲劳性能优异（>20,000次循环）。

图1. 介电液晶弹性体的剪切辅助4D打印原理、微观结构表征及电致变形性能。

  基于上述各向异性编程能力，团队首先构建了由单畴层（各向异性）和多畴层（各向同性）组成的双层弯曲单元，实现了可展曲面的编程设计（图2）。由于剪切层与非剪切层在电场下的应变失配，致动器可产生显著的弯曲变形。通过对单畴DLCE液晶局部取向的精细设计，成功展示了S形弯曲、扭转、以及仿生花朵绽放等多种复杂变形模式。有限元模拟结果与实验观测的高度吻合，验证了所建立的各向异性力电耦合模型的准确性，为指导复杂结构设计奠定了基础。

图2. 基于弯曲单元的可展曲面变形设计与模拟验证（S形、扭转、仿生花朵等）。

  为突破传统设计局限，实现具有高斯曲率的非可展曲面变形，团队受图灵斑图启发，设计了一种二进制离散化编程框架（图3）。通过将平面离散化为单畴（“1”）和多畴（“0”）区域矩阵，利用局部相互作用在全局范围内实现电驱动变形复杂性。通过调节矩阵中剪切区域的空间分布，成功实现了从平面到零高斯曲率（圆台）、正高斯曲率（圆顶）和负高斯曲率（马鞍面）的转换，甚至构建了双层蛋糕状和多级波纹状等复杂的非均匀曲面。实验与仿真结果表明，致动器的最大位移与电场强度、致动器半径及液晶取向角度密切相关。

图3. 基于离散化矩阵编程的高斯曲面及非可展曲面变形设计。

  针对自然界中更为复杂的非轴对称三维形状，团队进一步开发了一套逆向设计方法（图4）。该方法能够将目标三维曲面转化为二维平面的材料结构力学属性分布和可执行的打印路径。以三维熊猫面部模型、多肉植物以及黄河河道地形为例，通过计算目标曲面的等高线和局部应变需求，反向推导出每一层的液晶分布区域及其取向方向，打印出的DLCE致动器在电场驱动下高保真地重构了目标形貌，并成功演示了基于黄河地形的液体输运功能。

图4. 复杂三维曲面的逆向设计策略及其在熊猫脸、仿生植物和地形重构中的应用。

  综上所述，本研究提出了一种结合剪切辅助4D打印与逆向设计算法的综合策略，解决了介电液晶弹性体在复杂三维变形控制中的难题。该技术实现了毫米级精度的复杂几何重构，且具备电驱动快速响应和可逆变形的优势，展示了其在仿生软体机器人和可重构微流控系统等领域的广阔应用前景。

  本文的通讯作者是宁夏大学冒杰副教授、浙江大学航空航天学院毛国勇研究员和肖锐研究员，宁夏大学硕士研究生赵卉垚和浙江大学博士研究生陈梓坷为共同第一作者。浙江大学罗英武教授和宁夏大学彭志科教授对该工作进行了重要指导。

  原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2289