光诱导训练3D打印机械超材料：实现可编程刚度与自适应形变的智能材料系统

《Advanced Materials Technologies》：Light Induced Training of 3D Printed Mechanical Metamaterials

本文报道了一种基于热塑性聚氨酯（TPU）和新型双价交联剂（PA）的3D打印材料系统，通过紫外光（UV）诱导C-H插入反应实现材料刚度可编程控制（最高提升300%）。研究者巧妙结合机械超材料的几何设计放大局部刚度变化，构建了闭环训练系统：压缩载荷触发UV照射→改变基材性能→增强抗压能力，成功模拟生物组织训练机制，为软体机器人领域提供创新材料解决方案。

　　

材料设计与合成策略

研究团队开发了一种基于热塑性聚氨酯（TPU）的可3D打印线材，通过共价修饰双价交联剂PA（含蒽醌和重氮基团）实现紫外光响应特性。PA分子的合成采用三步法：苯乙酸与乙二醇的Steglich酯化、与2-羟基蒽醌的Mitsunobu反应、重氮基团的Regitz转移，总产率达66%。改性过程中，TPU丝在二氯甲烷中溶胀吸收PA溶液（添加量10wt%），经100°C热处理18小时使重氮基团与聚合物C-H键共价结合，最终交联剂含量为5wt%。该材料保持良好打印性，打印参数与原始TPU一致。

紫外光诱导性能变化

拉伸测试表明，365nm紫外照射可导致材料刚度持续增长。照射50小时后，刚度达到初始值的300%，且变化过程呈现快速初始增长（5小时增长1.5倍）后线性提升的特征。实时拉伸测试证实刚度变化仅发生在UV开启时，关闭照射后刚度保持稳定。特别值得注意的是，在应变状态下照射会导致试样长度变化：10%应变内照射产生缩短效应，10%以上应变照射则引发伸长。这种形变记忆效应为后续训练行为奠定基础。

机械超材料的放大效应

研究者利用不稳定性驱动的机械超材料结构放大局部刚度变化。经典孔洞结构超材料在压缩下发生负泊松比效应（拉胀效应），当局部区域经UV照射后，其刚度差异导致压缩时出现明显倾斜变形（照射侧刚度高，未照射侧先坍塌）。通过设计具有臂状结构的超材料，使其压缩时横向扩张可触发光学开关，从而形成闭环控制系统：机械压缩→触发UV照射→交联反应→刚度提升→改变后续变形行为。

训练系统的实现

位移控制训练实验中，PA改性材料在UV照射下表现出显著的光开关激活时间增长（从循环占比20%增至60%），表明材料形变行为发生适应性改变。力控制训练更直观展示训练效果：初始1.7N力可触发UV照射，经过23次循环训练后，材料刚度提升至能抵抗该阈值力而不触发照射，完美模拟生物组织通过重复训练增强机能的现象。训练过程中试样高度降低8%，刚度提升3倍，证实材料通过内部空隙闭合和基材交联双重机制实现性能进化。

应用前景与创新性

该系统突破传统热触发交联材料的温度限制（打印温度200°C远高于常见交联温度80-120°C），实现制造后性能调控。与水凝胶训练系统相比，3D打印架构支持复杂结构制造和实际环境应用。局部刚度调控能力使其在软体机器人领域具有巨大潜力：可制备负载能力可调的驱动结构、机械逻辑门元件，甚至实现泊松比动态切换的智能材料。这种将材料化学响应与机械超几何设计相结合的策略，为开发类生物自适应系统提供了新范式。