研究背景

生物有機體能夠改變自身形態(tài)以動態(tài)適應環(huán)境，而傳統(tǒng)工程系統(tǒng)通常局限于固定的結(jié)構(gòu)和功能。響應性材料系統(tǒng)的出現(xiàn)縮小了這一性能差距，這類材料可通過改變自身特性或施加機械力，對外界刺激做出形狀變形反應。

目前，相關(guān)研究在響應材料、制造能力和仿真模型方面取得了一定進展，已開發(fā)出能對熱、光、濕度等多種刺激做出反應的材料系統(tǒng)，并應用于微創(chuàng)手術(shù)、藥物遞送等多個領(lǐng)域。但現(xiàn)有研究多側(cè)重于制造創(chuàng)新，缺乏有效的逆向設(shè)計方法，大多依賴人類經(jīng)驗或啟發(fā)式方法設(shè)計，難以實現(xiàn)復雜的形狀變形行為。同時，現(xiàn)有逆向設(shè)計方法多針對單一刺激（尤其是熱刺激），且未充分考慮制造過程的優(yōu)化，無法滿足多刺激響應材料系統(tǒng)的設(shè)計需求。

研究內(nèi)容

自主協(xié)同設(shè)計框架

構(gòu)建了一個統(tǒng)一的自主協(xié)同設(shè)計框架，可同時優(yōu)化多刺激響應材料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、制造、材料和刺激因素，無需依賴人類經(jīng)驗即可實現(xiàn)目標形狀變形。該框架整合了廣義拓撲優(yōu)化與混合數(shù)據(jù)-物理可微仿真，具體包含兩部分核心內(nèi)容：

• 混合數(shù)據(jù)-物理可微仿真：將網(wǎng)絡(luò)邊緣的響應行為建模為具有初始應變的廣義非線性彈簧，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合實驗數(shù)據(jù)建立材料本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合辛歐拉積分方案迭代更新節(jié)點位置，直至達到平衡狀態(tài)，同時通過自動微分計算設(shè)計變量的梯度信息。
• 擴展拓撲優(yōu)化：將連續(xù)結(jié)構(gòu)變量、離散打印路徑數(shù)、分類材料類型等混合類型變量映射到統(tǒng)一的連續(xù)設(shè)計空間，結(jié)合移動漸近線方法進行迭代優(yōu)化，同時融入制造約束確?？纱蛴⌒?。

圖1. 自主協(xié)同設(shè)計與制造框架。(A) 框架從初始設(shè)計和目標刺激變形需求出發(fā)；(B) 自主協(xié)同設(shè)計框架通過廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)彈簧模型模擬響應行為；(C) 輸出材料分布、結(jié)構(gòu)拓撲和制造指令；(D) 實現(xiàn)多刺激下的目標形狀變形。

制造平臺與材料建模

選擇液晶彈性體（LCE）作為研究對象，開發(fā)了兩種LCE配方：偶氮苯功能化LCE（azoLCE，響應熱和紫外光）和純LCE（neatLCE，僅響應熱）。采用多材料高溫直接墨水書寫（HOT-DIW）3D打印技術(shù)，確定打印速度、壓力和路徑數(shù)為關(guān)鍵制造參數(shù)，通過實驗表征這些參數(shù)對材料剛度和變形性能的影響，并將實驗數(shù)據(jù)用于訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

圖2. 材料變形與制造參數(shù)影響。(A) 熱響應和光響應LCE的變形特性及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測；(B) 打印速度和壓力對變形應變的影響；(C) 框架生成的制造參數(shù)示例。

不同響應類型的形狀變形編程

1. 熱響應形狀變形：設(shè)計并制造了從正方形到圓形、剪切變形、圓形與橢圓互變等多種熱響應形狀變形系統(tǒng)，優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)自動形成“結(jié)構(gòu)骨架+收縮執(zhí)行器”的邊緣分組，實現(xiàn)精準變形，計算時間不足1分鐘，實驗與仿真節(jié)點吻合度高（R2>0.99）。
2. 光響應形狀變形：針對紫外光驅(qū)動的局部液晶紊亂特性，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)彈簧模型，設(shè)計了閉合抓手、張開抓手等光響應系統(tǒng)，實驗驗證了形狀變形的正確性。
3. 多響應形狀變形：結(jié)合azoLCE和neatLCE設(shè)計多刺激響應系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同刺激下的差異化變形（如紫外光下向內(nèi)彎曲、熱刺激下向外彎曲），通過材料分布和制造參數(shù)優(yōu)化，解決了不同刺激目標的沖突問題。

圖3. 熱響應系統(tǒng)設(shè)計。(A) 不同初始拓撲和節(jié)點密度的正方形到圓形變形；(B) 不同目標形狀（橢圓、心形、手性形狀）的變形；(C) 初始與目標形狀互換的變形。

圖4. 3D打印熱響應形狀變形系統(tǒng)。(A) 正方形到圓形；(B) 剪切變形；(C) 圓形到橢圓；(D) 忽略制造參數(shù)的對照實驗。

圖5. 光響應形狀變形系統(tǒng)。(A) 不同目標（閉合/張開抓手）的優(yōu)化設(shè)計與仿真；(B) 雙開口抓手的實驗驗證。

圖6. 多刺激響應形狀變形系統(tǒng)。(A) 正方形在不同刺激下的變形；(B) 光閉合-熱張開抓手；(C) 光張開-熱閉合抓手；(D) 實驗驗證；(E) 變形應變對比。

研究結(jié)論

1. 提出的自主協(xié)同設(shè)計框架能夠有效優(yōu)化多刺激響應材料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、材料、制造和刺激因素，實現(xiàn)復雜的形狀變形行為，且設(shè)計效率高，可在幾分鐘內(nèi)完成優(yōu)化。
2. 基于液晶彈性體的實驗驗證表明，該框架可成功實現(xiàn)熱響應、光響應及多響應的形狀變形，打印樣品與仿真結(jié)果吻合度較高，證明了框架的實用性。
3. 該方法揭示了材料網(wǎng)絡(luò)邊緣的自動分組規(guī)律，為多刺激響應材料系統(tǒng)提供了設(shè)計原理，可廣泛應用于軟機器人、機械計算、生物醫(yī)學等領(lǐng)域。
4. 目前框架在捕捉彎曲、剪切和屈曲行為方面存在局限性，未來可通過采用非線性梁單元或?qū)嶓w單元、改進材料模型等方式進一步完善。

論文信息