致動現象在自然界中普遍存在，從豆莢因濕度驅動的不對稱收縮而產生的手性張開，到卷須攀緣植物的復雜運動，生物系統展示了精妙的形狀變形能力。受此啟發，人工致動器——能夠通過光、熱、磁場、電場、pH或濕度等刺激實現可編程形狀變形的刺激響應性器件——已成為軟體機器人、仿生機械、可穿戴電子和自適應微系統等變革性平臺的核心元件。然而，傳統的熱響應致動器要實現復雜且可編程的形狀變化，通常依賴兩種途徑：一是通過選擇性光照對多個致動點分別控制，這需要多個不同波長的光源，使器件微型化和實際應用復雜化；二是在致動器關節中預先設計不同的機械模量，這涉及多物理場仿真和大量試錯實驗，且缺乏普適的設計規則。因此，如何利用簡單組件制造出能夠實現復雜變形的熱響應致動器，仍然是該領域面臨的重大挑戰。

針對上述挑戰，加州大學河濱分校殷亞東教授、陳金星教授合作提出了一種基于光催化納米顆粒的光打印策略，用于制備具有空間可控等離子體納米顆粒分布、圖案線寬小至20微米的光致動器。這一設計實現了局部光熱加熱，從而賦予材料復雜且可編程的形狀變形能力。作為概念驗證，研究團隊展示了一種雙層致動器，它能夠從平面二維形狀轉變為三維螺旋形態，并通過模仿卷須攀緣植物的抓握行為實現可控的物體運輸。此外，微尺度光打印能夠在均勻光照下實現局部光熱驅動，推動三維變形和軟致動器的微型化。該光打印方法為設計具有可編程和仿生形狀變形能力的智能材料與器件提供了一個簡潔而有效的平臺。相關論文以“Photoprintable Photothermal Actuators for Spatially Programmable Shape Morphing”為題，發表ACS Nano上。

微尺度光打印技術

為了實現空間圖案化的光熱加熱，研究團隊開發了一種光打印策略，以羥乙基纖維素（HEC）作為柔性基體、金納米顆粒（AuNPs）作為納米尺度光熱轉換劑，制備了復合薄膜。在典型工藝中，首先合成表面功能化的二氧化鈦（TiO?）納米晶，將其與HEC水溶液和氯金酸（HAuCl?）前驅體混合后涂覆在玻璃基底上干燥成膜。通過光掩模進行僅10秒的紫外光照射后，薄膜上便出現了鮮紅色的圖案（圖1a, b），表明AuNPs通過TiO?納米晶的光生電子還原形成，而未曝光區域保持透明。透射電子顯微鏡圖像顯示，打印出的AuNPs呈球形，平均直徑為19.3±2.1納米（圖1c）。光學顯微鏡圖像進一步展示了光打印特征具有20-200微米的線寬和清晰的邊緣，圖案轉移 fidelity 優異（圖1d, e）。研究還證實，該策略具有普適性，同樣可用于打印銀和銅納米顆粒圖案。這一方法無需特殊光刻工具即可實現多樣化微尺度架構的快速原型制作，為可規模化制造提供了關鍵優勢。

圖1. 水凝膠薄膜中等離子體圖案的直接光打印。 (a) TiO?納米顆粒催化HAuCl?光還原為AuNPs的示意圖。 (b) 不同Au前驅體濃度（從上到下：0.4、0.6、1.0、1.5 mmol/L）下打印的AuNPs圖案照片。 (c) 水凝膠薄膜中打印的AuNPs的TEM圖像及粒徑分布圖。 (d,e) 打印的AuNPs微圖案的光學顯微鏡圖像。

含水量對打印過程的影響

研究進一步揭示了水含量對打印動力學和AuNPs光學性質的關鍵調控作用。實驗表明，將水含量從17 wt%提高到50 wt%，打印速率提升了7.5倍，充分說明水合作用對傳質效率的顯著影響；但當水含量超過50 wt%后，速率趨于平緩，表明擴散限制被有效消除（圖2a）。值得注意的是，水含量還通過調控局域表面等離子體共振來影響打印AuNPs的光學性質：較高的水含量使LSPR峰從550納米紅移至620納米，對應著從各向同性納米顆粒向各向異性納米板的形態轉變（圖2b）。通過原位紫外-可見-近紅外光譜監測光還原過程（圖2c），研究發現高水合薄膜（67 wt%）在36秒紫外照射期間消光強度顯著增加且LSPR峰紅移（圖2d），而低水合薄膜（17 wt%）變化不明顯（圖2e），這證實了水合條件下AuNPs的成核和生長速度更快。

圖2. 水含量對光打印過程的影響。 (a) 水含量對打印時間和AuNPs共振波長的影響。 (b) 高水含量（67 wt%）下打印的AuNPs的TEM圖像。 (c) 原位監測打印過程的光學裝置示意圖。 (d,e) 不同水含量（d：67 wt%，e：17 wt%）的打印薄膜在不同打印時間下的紫外-可見-近紅外光譜時程等高線圖。顏色映射表示光消亡能力的變化。

雙層致動器的光熱誘導彎曲

為展示光熱致動性能，研究團隊將45微米厚的HEC-Au水凝膠薄膜澆鑄在170微米厚的PDMS基底上，制備了雙層致動器（圖3a, b）。在可見光照射下，AuNPs的光熱加熱產生熱梯度，由于水凝膠層與PDMS層的熱膨脹系數差異，致動器發生彎曲。溫度測量結果顯示，HEC-Au薄膜在60秒內快速加熱至60°C，120秒后穩定在85°C，而純HEC薄膜僅升至40°C，證實了AuNPs高效的光熱轉換效率（圖3c）。在90秒光照下，致動器達到80°的穩態彎曲角（圖3d, e）。區別于僅依賴不對稱熱膨脹的傳統光熱致動器，該HEC-Au/PDMS雙層結構利用了協同熱響應效應：PDMS的膨脹驅動可逆彎曲，而HEC層的脫水則實現了形狀鎖定（圖3f, g）。基于此特性，團隊設計了一種類似“不倒翁”的軟體機器人（圖3h），在45°C加熱時表現出自發的往復滾動行為，通過Tracker軟件對九個選定點的位置追蹤（圖3i）和快照記錄（圖3j）展示了完整的振蕩周期，其周期僅0.88秒（圖3k），展現了快速響應能力。

圖3. HEC-Au/PDMS雙層致動器的制備。 (a) HEC-Au/PDMS雙層致動器彎曲角度的示意圖。彎曲角定義為連接自由端與固定端的直線與水平線之間的夾角（向上彎曲為正）。 (b) 典型HEC-Au/PDMS雙層的掃描電子顯微鏡圖像。 (c) 模擬太陽光照射下HEC和HEC-Au薄膜的實時溫度測量。 (d) HEC-Au/PDMS雙層致動器彎曲角度隨時間的變化：光照誘導的光熱彎曲（黑色曲線）與45°C加熱誘導的熱彎曲（紅色曲線）。 (e) 光熱誘導彎曲過程的照片（長度2 cm，寬度0.5 cm，厚度215 μm）。 (f,g) 雙層致動器的協同熱響應效應，包括HEC層的熱誘導收縮（f）和PDMS層的熱誘導膨脹（g）。 (h) “不倒翁”的設計。加熱前，加熱板與雙層的接觸點設為坐標系原點。重心定義為半徑為45 μm厚的HEC-Au在170 μm厚的PDMS上的圓的中心。 (i) Tracker軟件監測的“不倒翁”上9個選定點在一個振蕩周期內的位置變化。 (j) 一個振蕩周期內的自滾動行為照片。 (k) Tracker軟件測量的接觸點位置（藍線）和重心角速度（粉線）隨時間的變化。

可編程光熱致動

憑借光打印策略能夠便捷地通過紫外光刻創建所需等離子體圖案的核心優勢，研究團隊進一步探究了光熱圖案如何調控致動器的變形行為。首先，在薄膜中打印了蝴蝶形AuNPs圖案，可見光照射下的紅外熱像圖清晰地顯示了局域光熱加熱效果（圖4a）。隨后，團隊在雙層致動器上打印了兩種不同的圖案，光照后含AuNPs圖案的區域向HEC側彎曲，將二維構型轉變為復雜的三維結構（圖4b, c）。最引人注目的是，通過打印具有相同取向（45°）但不同間距的等離子體圖案，平坦的條帶在光照下扭轉成了左旋螺旋形狀（圖4d）。這一螺旋幾何構型可通過圓柱直徑、長度等參數完整描述（圖4e），理論計算與實驗測量結果高度吻合：螺旋圓柱直徑與圖案初始間距呈線性關系，驗證了該局域光熱效應設計的可靠性（圖4f）。

圖4. 局域光熱效應驅動的復雜致動。 (a) 可見光照射下打印蝴蝶圖案的紅外熱像圖。 (b,c) 兩個HEC-Au/PDMS致動器示例的光熱誘導形狀變形。比例尺均為1 cm。 (d) 光打印平面條帶在可見光照射下轉變為三維螺旋構型。 (e) 螺旋幾何構型示意圖。 (f) 螺旋圓柱直徑隨等離子體圖案初始間距的變化。

仿生軟體機器人的可逆致動

該仿生軟體機器人還具備改變手性的關鍵能力，打破了單一手性構型的限制。具體而言，光熱誘導產生的左旋螺旋構型（圖5a）在浸入水中或暴露于水蒸氣后，可逆地轉變為右旋幾何構型（圖5b），實現了雙向手性切換。實時角度監測顯示，水驅動反轉過程分為慢速和快速兩個動力學階段，而光熱扭轉則呈現相反的反轉動力學（圖5c）。利用這種雙向光-濕響應性，團隊設計了能執行可編程物體操作的人工卷須致動器：可見光照射觸發快速光熱扭轉，使致動器抓取并保持物體而無需持續能量輸入（圖5d）；隨后暴露于水蒸氣觸發反向扭轉，實現受控釋放（圖5e）。該致動器可承載自身質量391倍的負載（圖5f），遠超典型軟致動器的承載比（<300倍），且在40次循環中性能衰減極小，展現了優異的穩定性（圖5g）。此外，通過將等離子體金屬域限制在微米尺度區域，熱生成被局域化，使得即使在大面積均勻光照下也能實現微型化致動。含有三個Au圖案（寬度約1毫米）的致動器產生了整體螺旋變形，可作為鉤子提起0.6130克的物體（圖5h, i）；紅外熱成像顯示三個圖案對應三個局域熱點（圖5j），而五個圖案則因熱串擾形成單一熱點（圖5k）。含Au圖案的雙層結構在水合作用下轉變為螺旋構型（圖5l），而不含Au圖案的空白條帶僅發生簡單彎曲（圖5m），進一步證實了微尺度圖案化對致動行為的編程作用。

圖5. 具有可逆致動功能的仿生軟體機器人。 (a) 光打印雙層條帶在光照和水刺激下的形狀轉變。 (b) (a)中軟體機器人遇水后的反向扭轉快照。 (c) 光照和水刺激下扭轉與反向扭轉角度的實時監測。 (d,e) 軟體機器人通過螺旋幾何構型轉變抓取（d）和釋放（e）物體。 (f) 螺旋機器人展示高提升能力的數字照片。 (g) 螺旋機器人在水蒸氣刺激下的重復扭轉與反向扭轉循環測試。 (h) 尺寸為長2 cm、寬2 mm、厚100 μm的光打印雙層條帶在可見光照射600秒后轉變為三維螺旋構型。 (i) 轉變后的條帶作為鉤子提起質量為0.6130 g的物體的數字照片。 (j) 含三個Au圖案的條帶在光照下的紅外熱像圖，顯示三個明顯的局域熱點，以及熱點產生力的示意圖。 (k) 含五個Au圖案的條帶在光照下的紅外熱像圖，由于相鄰光熱域之間熱耗散增強而顯示單個更大的熱點，以及該熱點產生力的示意圖。 (l) 含五個Au圖案的條帶遇水后的數字照片，顯示由再水化驅動的螺旋結構轉變。 (m) 不含Au圖案的空白條帶遇水后的數字照片，未顯示類似的形狀轉變。

總結與展望

本研究開發了一種通用的光打印策略，用于制備具有精確控制、空間圖案化形狀變形的光熱致動器。該方法首先將DEG功能化的TiO?納米顆粒摻入HEC基水凝膠基質中，隨后通過光掩模對金屬離子前驅體進行光還原，形成具有高空間選擇性的等離子體圖案，從而實現復合薄膜精確且可編程的形狀變形。HEC-Au/PDMS雙層致動器的彎曲行為源于PDMS的熱膨脹與HEC的收縮相結合，通過空間圖案化光熱加熱實現了復雜形狀變形。更重要的是，光打印微尺度結構的能力使得在均勻光照下實現局域光熱致動成為可能，從而推動三維變形和器件微型化。這一光打印策略為設計具有局域加熱能力的光熱致動器提供了一條簡潔的途徑，在軟體機器人、人工肌肉及其他仿生材料領域具有廣闊的應用前景。