智能变形水凝胶是一类能够感知外界环境变化，并在特定刺激作用下发生体积或形态转变的刺激响应材料。与传统刚性可变形机械系统相比，智能变形水凝胶无需复杂的动力和传动装置，仅通过吸收光、热、电等外界能量，即可驱动聚合物网络熵弹性的变化，实现大尺度、多自由度的柔性形变。凭借优异的环境响应能力、良好的生物相容性以及可编程形变特性，智能变形水凝胶已成为软体机器人、仿生智能和信息安全等前沿领域的重要材料平台。然而，现有智能变形水凝胶的形变行为大多依赖持续的外界刺激与能量输入，其响应过程受到刺激时空分布、作用强度及稳定性的制约，难以实现对形变路径与形态变化的精准调控。

  浙江大学化工学院赵骞教授团队长期致力于可编程软材料的研究（Nat. Commun. 2025, 16, 2830; Adv. Mater. 2024, 36, 2408324; Nature 2023, 622, 748; Nat. Commun. 2023, 14, 7674; Nat. Commun. 2023, 14, 6822）。

  近期，该团队联合浙江省肿瘤医院张宇华主任团队，在无需外界持续刺激的条件下，创新性地提出了一种基于光调控的时间编程策略，实现了水凝胶自主的连续变形。研究进一步利用水凝胶在动态变形过程中呈现的一系列瞬态形态特征，将其类比为“手语”的表达方式，使材料能够随着形态演变连续传递文字信息。基于此，团队构建了一种以形态特征为信息载体的全新信息加密与传递模式，为智能材料在信息存储、动态加密和安全通信等领域的应用开辟了新的方向。

  2026年7月7日，相关工作以题为“Time-encoded geometric encryption enabled by shape-memory hydrogel with photoisomerization-gated autonomous recovery”发表于Advanced Materials期刊（Adv. Mater. 2026, e73919）。论文通讯作者为吴宝意博士，赵骞教授以及张宇华主任。

  为实现水凝胶无需外界刺激的可控自主变形行为，研究团队基于温敏聚合物的热动力学特性，利用偶氮苯基团的疏水作用调控聚丙烯酰胺链段在水环境中的熵焓平衡，使链段间形成类似“拉链”结构的多重动态氢键网络。不同于传统强氢键体系，该结构通过疏水诱导的多重氢键实现了稳定性与动态性的平衡，从而表现出显著的时温依赖特性。具体而言，在缓慢外力作用下，氢键逐步重排并耗散网络弹性应力，使凝胶表现出较低模量；而在快速外力作用下，氢键来不及重构反而增强瞬时承载能力，使模量升高，呈现出类似非牛顿流体的力学响应特征。基于这一性质，研究人员进一步实现了凝胶形状的时间编程。如图1所示，当凝胶被折叠并在外力作用下保持一定时间后，氢键持续交换并逐步耗散网络中的弹性应力，从而“记忆”该临时形状；撤去外力后，由于化学交联网络中仍储存部分弹性应力，凝胶将在两种网络协同作用下恢复至初始形态。与此同时，临时形状保持时间的差异会改变氢键重排程度，从而调控回复动力学：长时间固定对应更充分的应力耗散与更慢的回复过程，而短时间固定则表现出更快的弹性恢复行为。基于此，通过控制同一凝胶不同区域的外力作用时间，即可在回弹过程中构建多级临时形状演化路径。

图1. 时间编程的自发变形

  随后，研究人员利用偶氮苯基团的光致异构特性去进一步调控上述时间编程过程。如图2所示，在365 nm紫外光照射下，偶氮苯基团由反式结构转变为顺式结构，该构型变化会削弱其疏水作用，从而导致聚丙烯酰胺链段由原先优先形成链间多重氢键，转变为更多与水分子形成氢键。这一竞争关系的改变削弱了网络中氢键的动态重排过程，从而破坏了体系原有的时间依赖力学特性。例如，将凝胶条折叠固定为M形后，对折叠位点进行紫外光选择性照射时，尽管各节点均经历了较长时间的外力固定，但受光照区域由于难以形成稳定的多重氢键网络，在形变回复过程中仍表现出更快的弹性恢复行为。基于此，通过紫外光的空间精准调控，可以有效重构凝胶不同区域的时间编程状态，从而提升编程效率，并实现更加多样化的形变路径设计。

图2. 光调控的自发变形

  这种基于时间编程的形变行为，赋予了材料通过动态形态演化传递信息的能力。其原理与信息加密类似，加密者将原始信息映射到特定的“密码本”上，而密码本可以是符号、图案或几何形态；解密者只需识别载体所呈现的特征，即可反推出对应的原始信息（图3）。基于此，研究人员将时间编程信息写入凝胶网络，使凝胶在由折叠态恢复至初始形态的过程中依次经历快速变形和缓慢变形，分别对应短时间编程和长时间编程。解密者通过识别不同区域的回复动力学特征，即可还原预先设定的几何图案，进而解码其中承载的信息。

图3. 基于时间编程策略的水凝胶形态信息加密

  在此基础上，研究人员更进一步，将光调控与时间编程相结合，在二维凝胶阵列中写入“随时间变化”的信息，使凝胶拥有了更加精准的时空变形能力（图4）。按照ASCII编码规则，他们将凝胶条的直立状态定义为“1”，倒伏状态定义为“0”。经过光与时间的协同编程后，凝胶条在变形过程中会先呈现编码“01011010”，对应字母“Z”；随后又自动演变为编码“01001010”，对应字母“J”，最终动态表达出“浙江”的含义。与传统信息加密方式相比，这种策略能够像手语一样，通过连续的形态变化实现信息的动态传递，不仅提升了信息表达的隐蔽性和时序性，也为未来的信息存储、加密和传输提供了全新的思路。

图4. 基于光-时间双编程策略的水凝胶4D形态信息加密

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73919