研究背景

生物有机体能够改变自身形态以动态适应环境，而传统工程系统通常局限于固定的结构和功能。响应性材料系统的出现缩小了这一性能差距，这类材料可通过改变自身特性或施加机械力，对外界刺激做出形状变形反应。

目前，相关研究在响应材料、制造能力和仿真模型方面取得了一定进展，已开发出能对热、光、湿度等多种刺激做出反应的材料系统，并应用于微创手术、药物递送等多个领域。但现有研究多侧重于制造创新，缺乏有效的逆向设计方法，大多依赖人类经验或启发式方法设计，难以实现复杂的形状变形行为。同时，现有逆向设计方法多针对单一刺激（尤其是热刺激），且未充分考虑制造过程的优化，无法满足多刺激响应材料系统的设计需求。

研究内容

自主协同设计框架

构建了一个统一的自主协同设计框架，可同时优化多刺激响应材料系统的结构、制造、材料和刺激因素，无需依赖人类经验即可实现目标形状变形。该框架整合了广义拓扑优化与混合数据-物理可微仿真，具体包含两部分核心内容：

• 混合数据-物理可微仿真：将网络边缘的响应行为建模为具有初始应变的广义非线性弹簧，利用神经网络拟合实验数据建立材料本构关系，结合辛欧拉积分方案迭代更新节点位置，直至达到平衡状态，同时通过自动微分计算设计变量的梯度信息。
• 扩展拓扑优化：将连续结构变量、离散打印路径数、分类材料类型等混合类型变量映射到统一的连续设计空间，结合移动渐近线方法进行迭代优化，同时融入制造约束确保可打印性。

图1. 自主协同设计与制造框架。(A) 框架从初始设计和目标刺激变形需求出发；(B) 自主协同设计框架通过广义神经网络弹簧模型模拟响应行为；(C) 输出材料分布、结构拓扑和制造指令；(D) 实现多刺激下的目标形状变形。

制造平台与材料建模

选择液晶弹性体（LCE）作为研究对象，开发了两种LCE配方：偶氮苯功能化LCE（azoLCE，响应热和紫外光）和纯LCE（neatLCE，仅响应热）。采用多材料高温直接墨水书写（HOT-DIW）3D打印技术，确定打印速度、压力和路径数为关键制造参数，通过实验表征这些参数对材料刚度和变形性能的影响，并将实验数据用于训练神经网络模型。

图2. 材料变形与制造参数影响。(A) 热响应和光响应LCE的变形特性及神经网络预测；(B) 打印速度和压力对变形应变的影响；(C) 框架生成的制造参数示例。

不同响应类型的形状变形编程

1. 热响应形状变形：设计并制造了从正方形到圆形、剪切变形、圆形与椭圆互变等多种热响应形状变形系统，优化后网络自动形成“结构骨架+收缩执行器”的边缘分组，实现精准变形，计算时间不足1分钟，实验与仿真节点吻合度高（R²>0.99）。
2. 光响应形状变形：针对紫外光驱动的局部液晶紊乱特性，调整神经网络弹簧模型，设计了闭合抓手、张开抓手等光响应系统，实验验证了形状变形的正确性。
3. 多响应形状变形：结合azoLCE和neatLCE设计多刺激响应系统，实现了不同刺激下的差异化变形（如紫外光下向内弯曲、热刺激下向外弯曲），通过材料分布和制造参数优化，解决了不同刺激目标的冲突问题。

图3. 热响应系统设计。(A) 不同初始拓扑和节点密度的正方形到圆形变形；(B) 不同目标形状（椭圆、心形、手性形状）的变形；(C) 初始与目标形状互换的变形。

图4. 3D打印热响应形状变形系统。(A) 正方形到圆形；(B) 剪切变形；(C) 圆形到椭圆；(D) 忽略制造参数的对照实验。

图5. 光响应形状变形系统。(A) 不同目标（闭合/张开抓手）的优化设计与仿真；(B) 双开口抓手的实验验证。

图6. 多刺激响应形状变形系统。(A) 正方形在不同刺激下的变形；(B) 光闭合-热张开抓手；(C) 光张开-热闭合抓手；(D) 实验验证；(E) 变形应变对比。

研究结论

1. 提出的自主协同设计框架能够有效优化多刺激响应材料系统的结构、材料、制造和刺激因素，实现复杂的形状变形行为，且设计效率高，可在几分钟内完成优化。
2. 基于液晶弹性体的实验验证表明，该框架可成功实现热响应、光响应及多响应的形状变形，打印样品与仿真结果吻合度较高，证明了框架的实用性。
3. 该方法揭示了材料网络边缘的自动分组规律，为多刺激响应材料系统提供了设计原理，可广泛应用于软机器人、机械计算、生物医学等领域。
4. 目前框架在捕捉弯曲、剪切和屈曲行为方面存在局限性，未来可通过采用非线性梁单元或实体单元、改进材料模型等方式进一步完善。

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