刺激响应软材料（SRSMs）可通过扩散和粘弹松弛等非平衡动力学过程，在热或光等外部刺激作用下改变形状。调控非平衡动力学过程对实现SRSMs的可编程时空形态变形至关重要。然而，如何在简单材料体系与简单刺激控制条件下，实现可编程的时空形变序列，仍是该领域的重要挑战。本文以光热响应的形状记忆聚合物（SMP）条带为平台，通过调控改变光入射角、光照强度和材料特性，在单一恒定光照条件下实现并解释了多种可编程形态演化与运动模式：包括压痕结构的凹凸性反转、非均匀光照下的自主滚动、翻转前进、螺旋结构的双向解扭（可切换方向），以及通过在不同区域分配具有不同动力学特性的材料实现更复杂时空形态变形行为，例如二维交叉弯曲与“W”图案诱导的扭转弯曲。工作进一步总结了实现各类行为所需的关键“预编程—边界—光照”设计要素，为可变形结构与软体机器人提供了可复用的设计准则。

1. 研究背景：把“非平衡动力学”变成可设计参数

  软体机器人之所以能完成复杂的形变与运动，很大程度上依赖刺激响应软材料在外界刺激下经历的非平衡动力学过程（例如光热效应导致的温度梯度等）。但在很多系统中，要获得“按顺序发生”的复杂时空形变，往往需要多种外部刺激、精细刺激时序控制或复杂的材料制备。本文提出的核心观点是：不必增加外部刺激控制复杂度，也不必引入复杂材料体系；只要能调控材料内部的非平衡过程，就能用恒定光照驱动出可编程的多模态形态演化。

  在材料策略上，作者在环氧基SMP中引入还原氧化石墨烯（rGO）作为光热填料，实现稳定的光热升温；在“编程策略”上，通过三类手段制造局部响应速度差：

• 结构几何导致的入射角差异（例如压痕结构的平段与斜臂入射角不同）；

• 空间上非均匀光照强度（把高强度区“对准”特定区域）；

• 材料动力学差异图案化（用不同rGO浓度区域对应不同吸收/升温/响应速度）。

  这些因素共同决定了“谁先软化、谁先弯、谁先恢复”，从而把形变的时间顺序与空间变形变成可设计对象。

2. 压痕结构在均匀光照下的“凸性反转”：concave → W形

  首先，作者选取了一个预压痕SMP条带：中间为相对平段，两侧为倾斜臂。由于几何导致的入射角差异，均匀光照下不同区域的有效光强不同，从而触发不同的时序响应。实验展示了非常直观的形态演化序列：

1. 初始为凹形压痕结构；

2. 随着中间区域先软化、两臂随后向光源方向弯曲并“抬起”中部结构，整体出现典型的W形过渡构型；

3. 两臂继续弯曲达到最大曲率后，中部区域上移并完成凹凸性反转，随后在整体温度超过玻璃化转变温度（Tg）后逐渐恢复接近平直的形状。

  这一结果说明：即便光照恒定不变，只要在结构中引入不同的光入射角，就能形成具有明确阶段性的时序形态演化。

图1｜预压痕SMP在均匀光照下的凸性反转，并由仿真追踪关键点位移揭示阶段性演化。

3. 非均匀光照触发自主滚动：用“中心高强度区的位置”改写形变顺序

  在第二组实验中，作者把红外灯的高强度区偏向样品左侧，并将压痕条带以自由端、倒置放置在基底上。由于左侧被更强光照“优先加热—优先弯曲”，结构先在左侧发生显著变形并与基底接触并弯向右侧，接着在持续形变过程中发生重心迁移。随后样品的左侧开始恢复，当重心跨过接触支点后，样品会在某一时刻突然发生向左侧的快速滚动，实现无需外部时序控制的自主运动。论文进一步指出，滚动的关键在于通过非均匀光照制造“局部快—局部慢”的动力学差，使得形态演化与重心位置随时间发生可预测的改变，从而产生自主滚动。

图2｜非均匀光照将响应速度“写入空间位置”，压痕SMP倒置自由放置后发生阶段性形变并在重心迁移驱动下自主滚动。

4. 透明玻璃基底+底部光照实现“翻转前进”（flip-forward locomotion）：边界条件改变运动结局

  在第三组实验中，作者将同类压痕结构放置到透明玻璃基底上，使光从基底侧穿透并作用于样品，同时将高强度区集中在右侧铰链与斜臂部。与上一种“滚动”不同，这种接触边界与摩擦条件会把连续形变导向另一种结果：样品右侧先向下弯并与基底形成接触点，随后整体形态演化为“隆起/驼峰”构型，并继续推动重心向右移动；当重心越过接触点后，结构会发生瞬时翻转前进，再逐步恢复到平直构型。论文还特别强调：基底—条带的摩擦系数会影响末端滑移程度，从而影响翻转前进的最终位移，且通过改变光照集中区域的位置与范围，还可实现自主且可定向的运动调控。

图3｜透明玻璃基底使光从下方作用于结构，配合非均匀光照与接触/摩擦边界，压痕SMP实现翻转前进式运动。

5. 预扭结构的双向解扭：选择性加速“扭转单元”的上/下区域

  除压痕结构外，该论文还展示了预扭SMP条带的可控解扭。作者将条带设计为由多个“扭转单元”组成，每个单元包含上、下两部分，而这两部分在受热回复时对应相反的局部解扭趋势。当整体受热较均匀时，条带往往只呈现固定方向的解扭；而本文通过将光集中照射在中央扭转单元的上部或下部，选择性加速局部回复过程，最终实现整条带向左或向右两种不同方向的解扭输出。该结果展示了一个很通用的思想：通过局部“加速器”（选择性光热）改写非平衡过程的竞争关系，就能切换宏观运动方向。

图4｜聚光照射扭转单元上/下区域，可切换预扭SMP条带的整体解扭方向。

6. 材料动力学图案化：用不同rGO浓度“写入”更复杂的时空形变

  进一步地，作者并不只依赖光照空间分布，而是把“响应速度差”直接固化到材料内部：在同一SMP条带中通过不同“门控（gate）”形状在浇注与固化过程中形成可控区域（直线门、十字门、W形门等）引入高/低两种rGO浓度区域，。在实验演示中，作者给出了三类代表性图案及对应行为：

1. 1D图案：非对称弯曲并触发滚动
   
   

   一半高浓度rGO、另一半极低浓度rGO，并在20%预拉伸后固定变形；均匀光照下高浓度侧先吸收更多光并更快弯曲，随后低浓度侧才开始弯曲。随着两侧弯曲时序不同，结构重心发生迁移并触发快速滚动，最后在整体超过Tg后恢复平直。

   
   

2. 2D矩形图案：二维交叉弯曲（crossed bending）
   
   

   通过十字形分区让高/低浓度区域在纵向与横向同时变化。均匀光照下，高浓度区域更快收缩/弯曲，但其变形又受到相邻低浓度区域约束，从而形成明显的“交叉”构型；随后低浓度区也逐步被激活，交叉角度减小并最终恢复。该模式提示了其在柔性抓取器等应用中的潜力：利用预设的时序与空间约束实现低压、适应性的抓取/释放。

   
   

3. W形图案：分支按顺序弯曲并产生往复扭转的扭转弯曲
   
   

   W形高浓度分支靠近“尖端”的部分先被激活，分支按预设顺序弯曲，导致条带整体出现右扭—左扭—右扭—左扭的往复扭转；同时，由于大幅度竖向弯曲会降低有效光强，结构还能在一段时间内维持复杂构型，直到整体达到Tg后完全恢复。这类响应为“可时空重构表面”提供了新的实现方式。

图5｜通过图案化rGO浓度在材料内部写入不同响应速度：实现非对称弯曲滚动、二维交叉弯曲与W图案诱导的往复扭转弯曲。

7. 仿真与设计准则：把“预编程—边界—光照条件” 归纳成清晰的设计准则对照表

  为解释并预测上述复杂时空行为，论文使用ABAQUS开展热—力耦合有限元分析：采用耦合温度—位移步并引入瞬态热传导，材料以温度相关粘弹模型（Prony级数）表征；光热效应通过Beer–Lambert定律转化为体热源项并在材料内部传导、在边界散热。实验方面，工作使用宽谱红外加热灯，通过调节灯-样距离在不同实验中实现从近距离相对均匀照射到远距离增强空间梯度的非均匀照射。

  更重要的是，作者将各类目标行为所需的关键条件总结为清晰的设计表：每一种行为对应三要素——预变形/材料编程方式、边界与接触条件、光照分布方式。这使得读者可以将本文视为一套“用非平衡过程编程”的方法学，而不仅是若干现象展示。

总结

1. 本文证明：在简单材料体系（rGO/SMP）与恒定光照条件下，通过编辑/调控非平衡动力学过程即可实现可编程的多模态形态演化与运动。

   
   

2. 通过结构几何（入射角差）、非均匀光照（空间强度梯度）与材料动力学图案化（不同rGO浓度区域）三类策略，论文实现了凸性反转、自主滚动、翻转前进、双向解扭、二维交叉弯曲与W图案诱导的扭转弯曲等行为。

   
   

3. 论文进一步给出热—力耦合仿真框架与“预编程—边界—光照”设计表，为可变形结构、软体机器人、可重构表面与柔性夹持等应用提供了可推广的设计准则。

   
   

4. 展望方面，论文指出可通过引入高导热填料提升响应速度，并可拓展到具备可逆形变能力的材料体系（如水凝胶、液晶弹性体等），以扩展可重复、可循环的驱动场景。

论文信息与链接

  期刊：Advanced Functional Materials

  论文题目：Programmable Multimodal Shape Evolution of Shape Memory Polymers Through Non-Equilibrium Processes

  https://doi.org/10.1002/adfm.202524981