面向损伤检测与耐受的4D打印合成筋膜：实现高刚度高韧性多功能结构新突破

《Nature Communications》：Synthetic fascia for stiff and tough 4D printed multifunctional structures that detect and tolerate damage

本刊推荐：为解决4D打印材料刚度(E)与韧性(K)难以兼得的共性难题，研究团队受骨骼肌"筋膜-肌纤维"结构启发，开发了多材料打印的合成肌肉复合材料。该结构通过将高刚度热响应环氧复合材料(MHEC)与高粘附性聚二甲基硅氧烷(PDMS)合成筋膜(SF)结合，实现韧性提升3个数量级(达27 MJ m-3)的同时保持22.41 GPa高刚度，成功构建了可耐受7次断裂仍保持功能的驱动器、举重能力达自重1230倍的机器人及汽车碾压后仍可工作的传感晶格。

　　

在智能材料领域，4D打印技术通过赋予3D打印结构随时间变化的形变能力，为软体机器人、可展开结构和自适应光学等领域带来了革命性机遇。然而，该技术长期面临一个根本性矛盾：高弹性模量(E)的材料往往脆性大，而韧性(K)优异的材料又缺乏足够的刚度。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重限制了4D打印结构在承载场景下的应用。

自然界早已给出了精妙的解决方案。人体骨骼肌中，坚硬的肌纤维被柔软的筋膜组织包裹，既保证了力量输出，又提供了损伤保护机制。受此启发，波士顿大学J. William Boley团队在《Nature Communications》发表最新研究，提出了一种仿生多材料打印策略，成功研制出兼具高刚度、高韧性且具备损伤检测功能的新型4D打印材料系统。

研究团队采用直接墨水书写(DIW)技术，将两种关键材料进行集成：作为"合成肌肉"的多尺度异质环氧复合材料(MHEC)提供高达31 GPa的弹性模量和热驱动能力；作为"合成筋膜"的改性聚二甲基硅氧烷(PDMS)则贡献了344%的断裂应变和强界面粘附。通过调控PDMS基体与交联剂的比例(1:1至1:10)，实现了10-300 N·m^-1可调的剥离强度(P)和4-6 MJ·m^-3的韧性。

化学分析揭示其高粘附性的奥秘：商业PDMS中常见的非极性Si-H基团在SF中几乎检测不到，而特有的2-乙基-1-己醇成分可通过环氧开环反应与MHEC形成强化学键。更巧妙的是，打印过程中5%的丝材重叠区域促进了聚合物链的相互扩散，使共打印-共固化样品的粘附力进一步提升。

合成筋膜实现强韧肌肉复合材料

当MHEC被SF包裹后，复合材料展现出惊人的协同效应：弹性模量保持在22.41 GPa（与纯MHEC的31 GPa相当），而韧性达到27 MJ·m^-3，较纯MHEC（0.3 MJ·m^-3）提升近三个数量级，比现有最坚韧软驱动器高出3倍。通过调控MHEC与SF的体积分数(f_SF)，团队发现当MHEC占比80%、SF占比20%时，复合材料韧性达到峰值。

自感知损伤耐受双层驱动器

为验证实用性，团队制备了电控MHEC双层结构（基于Timoshenko双金属片原理），并用SF全封装。令人惊叹的是，在人为诱导7次断裂后，驱动器仍能通过焦耳加热实现可控形变，同时电阻变化率(R/R₀)的峰值信号可准确指示断裂事件。

电-热-力学模型与实验数据高度吻合，证实即使在高损伤状态下，驱动器仍保持自感知、可重复性和可逆形变能力。这种性能源于SF的介电特性和弹性，使电气功能与机械损伤解耦。

损伤耐受重型举重机器人

将复合材料应用于四足举重机器人（MHEC:SF=70:30）时，其表现出破纪录性能：最大举重比达1231:1，超越自然界举重冠军蜣螂（1141:1），输出比功14.64 J·kg^-1，驱动应力5.8 MPa。更值得注意的是，即使在腿部断裂后，机器人仍能举起564倍自重，性能超过大多数完整状态的打印驱动器。

具备损伤检测功能的传感表面

在更复杂的电响应晶格结构（MHEC:SF=51:49）中，材料展现出卓越的损伤耐受性。在经历6次锤击冲击和10次压缩循环后，晶格仍能通过电阻变化监测损伤状态。极端实验中，晶格承受了相当于自重33万倍的汽车碾压后，虽产生永久性电阻漂移（约15%），但仍保持形状恢复能力和驱动功能。

该研究通过仿生设计成功打破了4D打印材料的刚度-韧性权衡，为开发自主、强韧、具损伤检测功能的智能系统开辟了新途径。这种材料策略可广泛应用于机器人、传感器、天线等领域，推动可耐受极端环境的自适应结构发展。