超材料是一类由周期性排列的基本单元组成的人造材料，具有超越天然材料和体积相似材料的奇特性能，如可调节的机械性能、负折射率和负泊松比。与传统的被动和静态行为相比，超材料在受到光、热、水合、磁场、电场和电化学场等外部刺激时会发生几何形变，其刺激响应、自适应和可编程的特性和功能引起了跨学科的广泛兴趣。将可编程致动的超结构转化到微米或纳米尺度，将为开发高密度功能子单元提供巨大机遇，从而推动实验室芯片技术、微型机器人、物理智能机器、低能耗机械计算以及可调光子和声子设备的发展。然而，由于微米和/或纳米尺度的驱动机制通常只适用于特定材料，因此它们的微型化具有挑战性。此外，具有特定初始几何形状的超材料通常会转化为特定的最终构型，只有通过设计其他初始几何形状才能产生不同的最终构型。要实现从相同的初始几何图形转化成可编程的多样化配置，具有很大的挑战性。例如，kirigami 超结构中的某些规定切口只能生成特定的最终模式，而其他配置只能通过重新设计不同类型的切口（即接头与切口的比例）来实现。超结构缺乏广泛的可编程性，极大地限制了其设计多样性、功能和实际应用。

在不同的转换机制中，人造肌肉因其强大的驱动力、快速的时间响应性和高功率密度而成为可重构超材料的一种潜在驱动方法。水凝胶的一些特性，如良好的水环境、易于定制的化学成分和特性以及与生物组织相容的柔软性，使其成为软机器人、植入式设备和生物医学应用中的人造肌肉。要实现可重构的超结构，水凝胶肌肉必须具备大、透明和均匀致动等特性。线性响应可确保均匀驱动超结构，而不会造成结构损坏或失效，同时水凝胶肌肉的高透明度可在转化过程中对超结构进行光学观测。

图1. 所提出的广谱可编程性概念和由线性响应水凝胶肌肉（LIHAM）驱动的可重构微超材料的策略 

图2. LIHAM及其与传统热响应水凝胶（PNIPAM）的比较

与纯 PNIPAM 水凝胶相比，合成的聚（NIPAM-co-HEMA-co-AM）水凝胶在保持高透明度的同时，变形非常均匀（图 2c、d）。LIHAM 由增强的亲水性聚合物链组成，它们有力地支撑和加强了网络系统，防止了 PNIPAM 聚合物网络在温度介导的亲水性和疏水性转变过程中发生坍塌。因此，这些增强聚合物链会均匀收缩，不会产生光散射团聚体，从而保持了 LIHAM 的透明度。图 2e 比较了聚合物加热到 60 °C 时的透射率（λ = 580 nm），显示 LIHAM 的损失（3.4%）可以忽略不计，而 PNIPAM 的损失则很大（71.2%）。此外，LIHAM 的变形能力可以通过调整单体的浓度（图 2f）和重量比（图 2g）来调节。

 图3. 超结构重构机制

图4. 可重构超结构的设计与转换

图5. 用于加密应用的具有宽模式变换谱的可重构微结构的概念验证演示

作为概念验证，他们能够对印刷结构中的任何图像的灰度信息进行编码和映射，从而根据广泛的可重构图案进行信息加密。如上所述，在 2PP 过程中，通过不断改变扫描功率或扫描速度，可以将具有相同晶格尺寸（即相同的 D 值）的印刷晶格转换成不同的图案。作为演示，他们将一幅 100 × 100 像素² 的《蒙娜丽莎》离散图像（图 5a）中每个像素的灰度值转换为 10,000 个单个尺寸为 10 × 10 µm² 的印刷十字单元的扫描功率映射（图 5b），这些单元相邻互连，没有任何间隙，从而实现了金属晶格的编程。LIHAM 作用超结构的一个典型特征是其在转化后的最终模式中具有广泛的可编程性。如图 5c 所示，不同扫描功率的交叉组合晶格可以在加热和冷却时可逆地转变为不同的拓扑结构。由于扫描功率是连续的，因此相应的印刷单元可以转化为宽光谱图案。

图6. 用于加密应用的具有可编程光学各向异性的可重构微结构的概念验证演示

总之，具有亚微米精度的线性响应水凝胶肌肉驱动可重构二维和三维超材料展示了非凡的操纵灵活性，包括对手性转化的全局精确控制和对宽模式变换谱的特定位点操纵。他们的方法所具有的广谱可编程性赋予了超结构的基本构件的多功能转换，这些转换有助于重建具有精细结构的复杂图像，以及用于信息隐藏的与角度相关的光物质相互作用。这些先进的能力为构建复杂而精密的信息提供了前所未有的机会，适用于各种应用，包括信息密码学、微型机器人学、光子学和声子学。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01649-3

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