在当今科技迅速发展的背景下，微型驱动器和形状可变材料的研究正逐渐成为材料科学和工程领域的热点。最近，来自北京大学的Zi-Yi Cao及其所在团队在《Advanced Science》期刊上发表了研究论文，探讨了基于机制的超材料的设计与应用。这项研究的核心在于开发一种新型的微铰链驱动器，灵感来源于小型昆虫的飞行机制，旨在实现微观和纳米尺度上的多模态运动和主动形状变换。
机制基础的超材料由刚性元素通过柔性铰链相互连接，具有开发智能微型机器的潜力。这些微型机器能够实现可编程的运动和形态变化。然而，缺乏高效的微型驱动器限制了在微观和纳米尺度上实现复杂运动和形状变换的能力。为了解决这一问题，研究团队借鉴了小型昆虫的飞行机制，开发了一种生物仿生的微铰链驱动器，通过将柔性机制与软水凝胶肌肉相结合，创造出一种新型的驱动器。
在研究中，团队引入了一种伪刚体机械模型来分析结构变形，结果表明这种基于水凝胶的微型驱动器能够在保持高结构刚度的同时，经历显著的折叠变形。此外，多个微铰链驱动器的组合使得在多个自由度和任意方向上实现折叠成为可能。研究团队采用了一种多步骤的四维（4D）直接激光写入技术，利用Nanoscribe设备制造微铰链驱动器，并将其集成到二维和三维超材料中，从而实现可编程的形状变换。
在设计过程中，研究者们深入分析了昆虫翅膀的解剖结构，发现其高效的翅膀折叠能力源于其特殊的连接系统。这种连接系统通过利用背腹和背侧肌肉的协同作用，能够有效调节翅膀的运动。通过这种生物启发的设计，研究团队成功开发出一种新型的微铰链驱动器，能够实现显著的形状变换。
在研究过程中，团队面临了多项挑战。首先，微型驱动器需要在有限的空间内高效地操控刚性骨架结构，这对柔性微铰链的设计提出了高要求。其次，微型驱动器的设计需要克服多个组件组装、有限的制造技术以及表面力增加等问题。此外，传统的形状变换方法通常依赖于精确调节多层薄膜或梁之间的应变不匹配，这种方法存在材料响应不同步、厚度和刚度不匹配以及界面粘合失效等限制。
为了解决这些问题，研究团队采用了四维直接激光写入技术，这种基于双光子聚合的先进微打印技术能够以亚微米精度制造出具有机械优势的微型驱动器。通过这种方法，研究者们能够显著增强形状变换能力，打印出具有主动异质双层梁的微型被动铰链。然而，减少层厚度以增加变形能力会导致铰链扭矩相对较低，从而限制大规模超材料的形态转变。
在实验中，研究团队通过调节水凝胶的长度和铰链的几何参数，优化了微铰链驱动器的配置，以实现最大的折叠角度。实验结果表明，微铰链驱动器在不同的环境条件下表现出优异的形状变换能力，能够在酸性和碱性条件下实现快速的折叠和展开。
此外，研究团队还将微铰链驱动器集成到基于切纸（kirigami）和网络设计的超材料中，展示了其在多方向和多自由度折叠变形方面的潜力。这些超材料不仅能够实现复杂的三维运动，还能够在环境刺激下进行主动形状变换，具有广泛的应用前景，如柔性电子设备、生物医学器械和自主机器人等。
总的来说，其团队的研究为主动机制基础的超材料的发展开辟了新的方向。通过生物启发的设计方法，研究者们成功开发出具有复杂形状变换能力的微型驱动器，为未来的智能微型机器和功能材料的设计提供了重要的理论基础和实践指导。这项研究不仅丰富了超材料领域的理论体系，也为实际应用提供了重要的参考，期待在未来的研究中能够实现更多的突破和创新。
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https://doi.org/10.1002/advs.202407231