研究背景

生物有機(jī)體能夠改變自身形態(tài)以動(dòng)態(tài)適應(yīng)環(huán)境，而傳統(tǒng)工程系統(tǒng)通常局限于固定的結(jié)構(gòu)和功能。響應(yīng)性材料系統(tǒng)的出現(xiàn)縮小了這一性能差距，這類(lèi)材料可通過(guò)改變自身特性或施加機(jī)械力，對(duì)外界刺激做出形狀變形反應(yīng)。

目前，相關(guān)研究在響應(yīng)材料、制造能力和仿真模型方面取得了一定進(jìn)展，已開(kāi)發(fā)出能對(duì)熱、光、濕度等多種刺激做出反應(yīng)的材料系統(tǒng)，并應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)、藥物遞送等多個(gè)領(lǐng)域。但現(xiàn)有研究多側(cè)重于制造創(chuàng)新，缺乏有效的逆向設(shè)計(jì)方法，大多依賴(lài)人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)或啟發(fā)式方法設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀變形行為。同時(shí)，現(xiàn)有逆向設(shè)計(jì)方法多針對(duì)單一刺激（尤其是熱刺激），且未充分考慮制造過(guò)程的優(yōu)化，無(wú)法滿(mǎn)足多刺激響應(yīng)材料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

研究?jī)?nèi)容

自主協(xié)同設(shè)計(jì)框架

構(gòu)建了一個(gè)統(tǒng)一的自主協(xié)同設(shè)計(jì)框架，可同時(shí)優(yōu)化多刺激響應(yīng)材料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、制造、材料和刺激因素，無(wú)需依賴(lài)人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)形狀變形。該框架整合了廣義拓?fù)鋬?yōu)化與混合數(shù)據(jù)-物理可微仿真，具體包含兩部分核心內(nèi)容：

• 混合數(shù)據(jù)-物理可微仿真：將網(wǎng)絡(luò)邊緣的響應(yīng)行為建模為具有初始應(yīng)變的廣義非線性彈簧，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立材料本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合辛歐拉積分方案迭代更新節(jié)點(diǎn)位置，直至達(dá)到平衡狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)自動(dòng)微分計(jì)算設(shè)計(jì)變量的梯度信息。

• 擴(kuò)展拓?fù)鋬?yōu)化：將連續(xù)結(jié)構(gòu)變量、離散打印路徑數(shù)、分類(lèi)材料類(lèi)型等混合類(lèi)型變量映射到統(tǒng)一的連續(xù)設(shè)計(jì)空間，結(jié)合移動(dòng)漸近線方法進(jìn)行迭代優(yōu)化，同時(shí)融入制造約束確?？纱蛴⌒?。

圖1. 自主協(xié)同設(shè)計(jì)與制造框架。(A) 框架從初始設(shè)計(jì)和目標(biāo)刺激變形需求出發(fā)；(B) 自主協(xié)同設(shè)計(jì)框架通過(guò)廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)彈簧模型模擬響應(yīng)行為；(C) 輸出材料分布、結(jié)構(gòu)拓?fù)浜椭圃熘噶睿?D) 實(shí)現(xiàn)多刺激下的目標(biāo)形狀變形。

制造平臺(tái)與材料建模

選擇液晶彈性體（LCE）作為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)了兩種LCE配方：偶氮苯功能化LCE（azoLCE，響應(yīng)熱和紫外光）和純LCE（neatLCE，僅響應(yīng)熱）。采用多材料高溫直接墨水書(shū)寫(xiě)（HOT-DIW）3D打印技術(shù)，確定打印速度、壓力和路徑數(shù)為關(guān)鍵制造參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征這些參數(shù)對(duì)材料剛度和變形性能的影響，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

圖2. 材料變形與制造參數(shù)影響。(A) 熱響應(yīng)和光響應(yīng)LCE的變形特性及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)；(B) 打印速度和壓力對(duì)變形應(yīng)變的影響；(C) 框架生成的制造參數(shù)示例。

不同響應(yīng)類(lèi)型的形狀變形編程

1. 熱響應(yīng)形狀變形：設(shè)計(jì)并制造了從正方形到圓形、剪切變形、圓形與橢圓互變等多種熱響應(yīng)形狀變形系統(tǒng)，優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)形成“結(jié)構(gòu)骨架+收縮執(zhí)行器”的邊緣分組，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變形，計(jì)算時(shí)間不足1分鐘，實(shí)驗(yàn)與仿真節(jié)點(diǎn)吻合度高（R2>0.99）。

2. 光響應(yīng)形狀變形：針對(duì)紫外光驅(qū)動(dòng)的局部液晶紊亂特性，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)彈簧模型，設(shè)計(jì)了閉合抓手、張開(kāi)抓手等光響應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了形狀變形的正確性。

3. 多響應(yīng)形狀變形：結(jié)合azoLCE和neatLCE設(shè)計(jì)多刺激響應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同刺激下的差異化變形（如紫外光下向內(nèi)彎曲、熱刺激下向外彎曲），通過(guò)材料分布和制造參數(shù)優(yōu)化，解決了不同刺激目標(biāo)的沖突問(wèn)題。

圖3. 熱響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(A) 不同初始拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)密度的正方形到圓形變形；(B) 不同目標(biāo)形狀（橢圓、心形、手性形狀）的變形；(C) 初始與目標(biāo)形狀互換的變形。

圖4. 3D打印熱響應(yīng)形狀變形系統(tǒng)。(A) 正方形到圓形；(B) 剪切變形；(C) 圓形到橢圓；(D) 忽略制造參數(shù)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

圖5. 光響應(yīng)形狀變形系統(tǒng)。(A) 不同目標(biāo)（閉合/張開(kāi)抓手）的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真；(B) 雙開(kāi)口抓手的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6. 多刺激響應(yīng)形狀變形系統(tǒng)。(A) 正方形在不同刺激下的變形；(B) 光閉合-熱張開(kāi)抓手；(C) 光張開(kāi)-熱閉合抓手；(D) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；(E) 變形應(yīng)變對(duì)比。

研究結(jié)論

1. 提出的自主協(xié)同設(shè)計(jì)框架能夠有效優(yōu)化多刺激響應(yīng)材料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、材料、制造和刺激因素，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀變形行為，且設(shè)計(jì)效率高，可在幾分鐘內(nèi)完成優(yōu)化。

2. 基于液晶彈性體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該框架可成功實(shí)現(xiàn)熱響應(yīng)、光響應(yīng)及多響應(yīng)的形狀變形，打印樣品與仿真結(jié)果吻合度較高，證明了框架的實(shí)用性。

3. 該方法揭示了材料網(wǎng)絡(luò)邊緣的自動(dòng)分組規(guī)律，為多刺激響應(yīng)材料系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)原理，可廣泛應(yīng)用于軟機(jī)器人、機(jī)械計(jì)算、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

4. 目前框架在捕捉彎曲、剪切和屈曲行為方面存在局限性，未來(lái)可通過(guò)采用非線性梁?jiǎn)卧驅(qū)嶓w單元、改進(jìn)材料模型等方式進(jìn)一步完善。

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