宾夕法尼亚州立大学的研究人员公布了一种前沿的4D打印方法。

该方法能生产出基于水凝胶的“智能合成皮肤”，这种材料能够动态地响应热量、溶剂或机械应力等外部刺激，从而改变其形状、纹理和外观。

这项研究由宾州州立大学工业与制造工程系的助理教授孙宏涛领导，合作者包括博士生李昊天、张玉晨和杨浩清，宾州州立大学的讲师刘腾晓，以及佐治亚理工学院的齐航教授。研究成果已发表在《自然通讯》上。

与传统具有固定特性的合成材料不同，这种智能皮肤是可编程的。研究团队利用半色调编码打印技术，将图像或纹理数据转换为材料表面的二进制图案，从而将“指令”直接“打印”到水凝胶材料中，指定每个区域如何对刺激做出反应。

受章鱼等头足类动物能快速改变皮肤外观的启发，该研究旨在将这种动态控制理念体现在合成的软质材料中。

该材料的功能超越了视觉效果。通过协同设计打印图案，研究团队展示了单个水凝胶薄膜如何能同时编码图像并改变形状。例如，一幅隐藏的蒙娜丽莎图像只有在浸入冰水或暴露于热量等特定条件下才会变得可见。这些图案还允许信息通过机械变形来显现。

论文第一作者、博士生杨浩清表示，这种行为可用于自适应伪装，使表面融入环境；或用于信息加密，让信息只在特定条件下显现。这种智能皮肤还展示了无需多层或多材料即可实现仿生形态变化的能力，允许平坦的片材在编码图案引导下弯曲成复杂的、具有纹理的3D结构。

这项研究证明了3D打印能够生产出具有可编程、多功能特性的材料，而不仅仅是静态结构。

基于先前在4D打印方面的工作，该团队的半色调编码方法使得在单一水凝胶片材中协同设计光学、机械和形态学等多种功能成为可能。未来的目标包括创建一个可扩展的平台，将一系列响应编码到自适应材料中。

孙宏涛教授总结道，这项处于先进制造、智能材料与力学交叉领域的跨学科研究，开启了新的机遇，对刺激响应系统、仿生工程、先进加密技术、生物医学设备等具有广泛意义，并可能在软体机器人、可穿戴设备和生物医学系统中得到应用。

智能合成皮肤依赖于将刺激响应行为直接嵌入到材料的内部结构中，这是传统制造方法在精细空间尺度上无法实现的。4D打印提供了必要的几何控制，通过调整内部结构来定义材料在特定条件下于何处以及如何膨胀、软化或改变外观。

然而，当前的4D打印方法仍然受到可打印聚合物类型、制造速度与分辨率以及可实现响应结构规模等因素的限制。

最近的研究既说明了刺激响应材料的潜力，也指出了其边界。研究人员已利用3D打印制造出可变形为预设形状的光活化聚合物，展示了平面打印品在被刺激时如何变为动态的3D物体。另一项项目实现了双层组件的可逆4D打印，其中打印部件自主改变形状并恢复原状。