上海交大马卓晨、韩冰：4D纳米打印新突破——自主逆向编码设计技术引领高度可编程形变

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-12 07:50

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引言

在机器人和智能系统领域，4D打印技术正逐渐成为一项革命性的制造工艺。通过4D打印，微纳米结构能够在外部刺激下实现可预测的形变，从而在微流体、微机器人、微创手术和组织工程等领域展现出巨大的应用潜力。然而，如何实现高度可编程定制化的形变一直是该领域的重大挑战。近日， 上海交通大学的马卓晨副教授、韩冰助理教授以及吉林大学的张永来教授合作 在 International Journal of Extreme Manufacturing 上发表了一篇题为“Autonomous inverse encoding guides 4D nanoprinting for highly programmable shape morphing”的研究论文， 提出了一种自主逆向编码策略，用于4D纳米打印逆向设计，实现了高度可编程的形状变形。 文章第一作者为上海交通大学电子信息与电气工程学院硕士研究生 任帅旗 。

研究背景

4D打印的核心在于纳米级的3D结构设计和材料属性的可编程分布。传统的4D打印依赖于研究人员的手动设计，但随着目标形状复杂度的增加，人为设计的难度也急剧上升。特别是对于具有连续变化曲率的形状，人为设计几乎变得不可能。为此，研究团队提出了一种自主逆向编码策略，通过结合遗传算法（GA）和神经网络（NN），实现了从目标形状到材料分布的编码自动求解，从而大大降低了4D打印的设计难度。图1展现了逆向编码设计4D纳米打印的整体框架。

图1. 逆向编码设计4D纳米打印的整体框架

技术亮点

1. 自主逆向编码策略：

研究团队提出了一种基于神经网络的形状预测网络（SPN），能够快速预测特定材料编码下的形变行为。结合遗传算法，SPN能够从海量设计空间中高效解码出最优的材料分布编码，从而实现任意形状的形变。图2阐明了基于形状预测神经网络辅助的遗传算法求解编码过程。

图2.基于形状预测神经网络辅助的遗传算法求解编码过程

2. 飞秒激光编码：

通过飞秒激光双光子聚合（TPP）技术，研究团队能够在纳米尺度上调控每个体素的激光功率，从而实现对材料属性的空间编程。这种编码方式使得打印结构能够在外部刺激下实现精确的形变。

3. 高度可编程的形变：

研究团队通过实验验证了该技术的有效性。他们使用手绘线条作为目标形状，经过逆编码后，4D打印的结构能够在刺激下准确变形为目标形状。此外，他们还设计了一种柔性纤维微操纵器，能够通过预编程的形变接近目标区域，展示了该技术在微创手术中的潜在应用（图3）。

图3.微型介入器械末端柔性微操作器形变的定制化设计

应用前景

这项技术的突破为4D打印在多个领域的应用打开了新的大门：

- 微流体：通过精确控制微流道结构的形变，实现更高效的流体操控。

- 微机器人：设计出能够根据环境变化自主变形的微型机器人，执行复杂任务。

- 微创手术：开发出能够在体内自主变形的微创手术工具，减少手术创伤。

- 组织工程：构建能够随生物环境变化而调整形状的组织支架，促进组织再生。

未来展望

随着更多高效算法的引入，这项技术有望进一步扩展到三维空间的设计。未来，研究人员将继续探索在三维空间中的形变设计，实现更复杂的定制化形状变化，如不同螺距和半径的螺旋结构。这将为4D打印技术在更多领域的应用提供无限可能。

结语

自主逆向编码辅助的4D纳米打印技术不仅大大简化了复杂形状的设计过程，还为微纳米结构的形变控制提供了全新的解决方案。这项技术的成功应用，将推动4D打印在微机器人、微操纵工具和组织工程等领域的广泛应用，开启智能设计制造的新篇章。

上海交大马卓晨、韩冰：4D纳米打印新突破——自主逆向编码设计技术引领高度可编程形变

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