近日，长春理工大学张健夫教授、苏忠民教授团队受苜蓿草启发开发了一种具有多重刺激响应的聚氨酯驱动器，基于动态智能的颜色与形态切换策略实现了从3D到4D的信息加密应用。相关研究成果发表于期刊到Adv. Funct. Mater.上。

  自然通信方法启发了复杂人工智能材料的设计，这些材料能对复杂刺激做出连贯且丰富的响应，对动态加密系统和高密度信息存储等应用至关重要。但现有材料受限于单一刺激响应，缺乏动态、连续、可编程变化能力。为此，开发了一种生物启发型多色荧光聚氨酯驱动器，结合动态颜色和形状适应性于一体。它模仿酢浆草的膨压驱动运动，通过亲水/疏水差异化网络结构实现水扩散、氢键和动态键交换。该驱动器能响应温度、pH和激发波长等多种刺激，展现可逆多态变形和可编程荧光，覆盖红、绿、蓝甚至白光。其变形行为经有限元模拟，确保精确控制和可预测性。此外，依据驱动器的可调三色荧光设计了3D和4D信息编码系统，提升了信息存储容量和加密安全性。利用微加工技术制造微型光学加密芯片，为水下通信加密技术和自适应材料铺平了道路。

图1. 本工作的设计思路和部分表征结果

图2. 聚氨酯驱动器的溶胀运动过程与有限元模拟

  图2展示了聚氨酯驱动器的膨胀运动和特性。通过应力-应变曲线和自愈测试，揭示了不同聚氨酯材料的力学性能和自愈能力，其中WPU-A在高温下表现出更高的自愈效率。水扩散系数的测试表明WPU-A的扩散能力更强。驱动器在水触发下快速弯曲并保持高循环稳定性。有限元模型进一步模拟了膨胀过程，验证了其对环境刺激的响应性，为智能材料的设计和应用提供了重要参考。

图3. 时间依赖的4D加密模型

  总之，开发了一种基于智能、多色和可逆多态聚氨酯的生物启发式驱动器，成功模拟了自然系统对外部刺激的协调多响应适应性。通过构建亲水/疏水网络结构并利用界面处的动态键合，利用水扩散和氢键相互作用来实现适应性和可逆变形，类似于酢浆草中观察到的膨胀和压缩运动等生物机制。驱动器结合了形状变形和多色荧光转换，包括依赖波长的发射，能够响应各种刺激，如碱性条件和温度。基于三色荧光的转换可编码3D和4D信息加密模型，为时间依赖的多模式信息编码系统提供了极大的灵活性。驱动器的多维刺激响应能力为高级加密技术和自适应材料开辟了新的途径，能够实现高容量和灵活的数据编码，从而在信息加密领域（例如水下通信）具有广阔的应用前景。最后，由于水性聚氨酯的热塑性，该驱动器在需要响应性、多功能材料的领域具有大规模工业应用的潜力，并且可以进行微加工以满足更苛刻的使用场景。

  工作以“4D encryption system: Hydrophilic–hydrophobic polyurethane actuators with smart color switching for high‐capacity data storage”为题，长春理工大学化学与环境工程学院在读博士生刘金芳为第一作者，张健夫教授、苏忠民教授为通讯作者。

  该研究得到了国家自然科学基金（22275023）、吉林省“长白英才”计划的资助。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202501801