作者

第一作者：杨春丽；通讯作者：刘彦菊，林程

机构

哈尔滨工业大学

Citation

Yang C L, Xin X Z, Zhao W J, Lin C, Liu L W, Liu Y J, Leng J S. 2025. Highly programmable 4D printed multi-shape gradient metamaterials and multifunctional devices. Int. J. Extrem. Manuf. 7 055504.

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 https://doi.org/10.1088/2631-7990/add8ca

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读 

超材料由于具有天然材料所不具备的超常物理属性，已被广泛应用于柔性机器人、航空航天等领域。然而，当前超材料仍面临着固有挑战，包括制备后构型/机械性能固定及设计灵活性有限，已不能满足设备对智能化、多功能的需求。

近期，哈尔滨工业大学航天学院冷劲松院士课题组，提出了一种多刺激响应、高度可编程的4D打印形状记忆梯度超材料，实现超材料性能/结构的高度可设计性，相关成果以题为“Highly programmable 4D printed multi-shape gradient metamaterials and multifunctional devices”发表在SCI期刊《极端制造（英文）》上。

图1 4D打印多形状梯度超材料的设计原理及其潜在应用。

2. 图文解析 

本研究的创新之处在于提出了一种多材料、多形状、高度可编程的4D打印形状记忆聚合物梯度超材料的设计方法。利用多材料4D打印技术，结合具有不同刺激响应（热、光、电、磁）特性的4D打印形状记忆聚合物复合材料，通过施加特定刺激实现梯度超材料的多种形状记忆效应及时空可控的选择性驱动。从韧带角度、节点大小、梯度材料及梯度结构等多个维度对超材料结构进行多样化设计，系统分析了几何参数与力学性能间的相关机制。同时，梯度超材料的多刺激响应特性赋予其额外的临时形状，显著增强了超材料的设计自由度和利用率，实现了力学性能的高度可编程性和可调性（图2、图3）。

图2 四韧带梯度超材料结构设计。

图3 四韧带梯度超材料力学性能的高度可编程性。

基于梯度超材料的多刺激响应特性，本研究结合二进制语言与摩斯密码，设计并开发了一种可编程的4D打印数字像素超材料作为智能信息载体，具有可定制的加密/解密程序、高度独立性、优异的可扩展性和可重复使用性，实现了海量信息的安全加密传输（图4）。此外，开发了4D打印可变刚度逻辑电子器件，能够在刚性和柔性状态之间自由切换，提高了电路控制精度，促进集传感、驱动和决策功能于一体的智能柔性机器人系统的实现（图5）。

图4 4D打印数字像素超材料智能信息载体。

图5 基于多刺激响应梯度超材料的可变刚度逻辑电子器件设计。

3. 作者与团队简介 

冷劲松

哈尔滨工业大学

冷劲松教授，哈尔滨工业大学，博士生导师，中国科学院院士，欧洲科学院外籍院士（Foreign Member of Academia Europaea），欧洲科学与艺术院院士，国家重大人才工程入选者，现任哈尔滨工业大学未来技术学院院长。现任/曾任社会兼职包括：国际复合材料委员会副主席、中国航空学会副理事长、中国力学学会副理事长、中国复合材料学会副理事长、国际智能和纳米材料杂志主编。当选美国科学促进会（AAAS）、美国机械工程学会（ASME）、国际光学工程学会（SPIE）、英国物理学会(IOP)、英国皇家航空学会（RAeS）、英国材料、矿石和冶金协会（IMMM）、中国力学学会、中国光学学会（COS）等多个国际/国内学会会士（Fellow）及美国航空航天学会（AIAA）Associate Fellow。冷劲松教授长期从事智能材料制备、力学分析、结构设计及在航空航天、生物医学、人形机器人、新能源、智能制造、舰船、汽车及人工智能等领域的应用研究。获国际复合材料委员会（ICCM）World Fellow奖、国家自然科学二等奖、全国创新争先奖状、“中国高等学校十大科技进展”。

刘彦菊

哈尔滨工业大学

刘彦菊教授，哈尔滨工业大学，博士生导师，国家级高层次人才，教育部新世纪优秀人才，长期致力于智能材料与结构领域的研究。现任/曾任社会兼职包括：中国复合材料学会智能复合材料分会主任，国际先进材料与制造工程学会（SAMPE）大陆总会理事，SAMPE智能复合材料专业委员会主任。获国家自然科学二等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）一等奖、2021年度“中国高等学校十大科技进展”、第二十四届中国专利优秀奖。发表SCI论文200余篇，获授权国家发明专利70余项。

林程

哈尔滨工业大学

林程副研究员，哈尔滨工业大学，博士生导师，入选中国科协青年人才托举工程，致力于智能形状记忆复合材料研发、4D打印结构设计及应用研究。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助项目等。以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Int. J. Extrem. Manuf. 等期刊发表论文。