近日，清华大学化学系吉岩副教授团队在材料领域顶级期刊Advanced Materials上发表题为“Heterogeneous Integration: Design Principles for Advanced Liquid Crystal Elastomers with Spatially Programmable Properties and Functionalities”的综述论文。吉岩副教授、何恩健博士为论文的共同通讯作者，第一作者为博士生王伊轩。

背景：从均质到异质，软驱动器迈向智能化的必由之路

  液晶弹性体（LCE）兼具液晶的有序性和橡胶的弹性，能在外界刺激下发生可逆、大幅度的双向形变，是软体机器人、自适应结构和生物医学器件的明星材料。然而，传统的均质LCE只能实现简单、均匀的收缩或弯曲，难以模仿生物系统中非均匀、多模态、时序可控的精密运动。

  为此，异质集成策略应运而生——通过有意识地在空间上构筑化学成分、网络结构、液晶取向或刺激响应性的差异，将多样甚至矛盾的功能集成于单一材料体系。异质集成已成为LCE领域不言自明的核心策略，但此前尚无工作系统梳理其方法论全景。

综述核心：三大递进策略，构建设计原则框架

  该综述明确将异质集成策略按尺度递进划分为三个层次（表1）：液晶基元排列异质化、聚合物网络结构异质化、异质模块化组装。

表1 LCE异质集成策略的结构-性能-功能关系

层次一：液晶基元排列异质化

  仅编程局部取向方向，不改变网络化学结构，实现差异化光学现象与驱动方向，异质化程度相对较低（图1）。主要包括：

  异质化模版诱导排列：利用光取向或物理微结构模板，在基板表面预设非均匀锚定场，使液晶基元复制图案化取向。

  非均匀场控诱导排列：通过空间非均匀的热场、磁场或电场，在材料体相中直接塑造异质取向，突破薄膜厚度限制。

  剪切异质化取向：借助DIW打印路径设计或打印参数编码，在三维空间中编程链段取向，实现“打印即异质”。

图1 实现液晶基元排列异质化的策略示意图。（a）图案化模板，通过i.光取向或ii.形貌模板实现。（b）时空可编程外场，包括时间可编程热场以及空间可编程磁场和电场。（c）通过DIW剪切诱导的异质化，其实现方式包括路径编程设计和参数编码打印。

层次二：聚合物网络结构异质化

  直接调控交联密度、拓扑结构或动态键活性，赋予材料区域化的力学性能、相转变温度和响应动力学，实现顺序驱动、多级加密等复杂功能（图2）。主要包括：

  后处理策略：在已固化的均质网络上，通过局部二次聚合或动态键交换，永久或可逆地写入网络异质性。

  加工中策略：在材料合成过程中，通过聚合梯度调控或正交/顺序聚合，将异质性直接“编码”于网络基因之中。

图2 实现聚合物网络结构异质化的策略示意图。(a)均质LCE网络的后处理，通过局部二次聚合或空间动态键交换引入空间差异。(b)LCE合成过程中的加工中策略，通过梯度聚合或正交与顺序聚合反应，在網絡形成过程中直接编码网络异质性，实现对网络拓扑和组成的空间控制。

层次三：异质模块化组装

  将多个独立功能模块在宏观尺度上集成，构建功能高度分化、性能协同增强的复合系统，设计自由度最高（图3）。主要包括：

  层间异质化：将不同性质的LCE层或功能层（如电热、光热层）垂直层压，利用响应失配驱动弯曲、扭转等复杂形变。

  面内异质化：通过化学焊接、多料筒DIW打印或纤维编织，将不同LCE模块在平面内拼接，实现多模式协同驱动。

图3 实现聚合物网络结构异质化的策略示意图。(a)均质LCE网络的后处理，通过局部二次聚合或空间动态键交换引入空间差异。(b)LCE合成过程中的加工中策略，通过梯度聚合或正交与顺序聚合反应，在網絡形成过程中直接编码网络异质性，实现对网络拓扑和组成的空间控制。

  文章系统总结了每种策略的异质化单元、性能、功能及优缺点，并提炼出普适的结构-性能-功能关系，为未来材料设计提供了清晰蓝图。

展望：从离散到连续，从静态到自适应

  未来异质集成LCE将朝着连续梯度、多维度协同、AI辅助逆向设计等方向发展（图4）。通过融合材料科学、机器人学与人工智能，有望创制出真正能够感知、学习、适应的新一代智能软物质。

图4 LCE异质集成展望的示意图

  原文链接：http://doi.org/10.1002/adma.75020