复合水凝胶实现智能响应的通常原理是利用凝胶中不同材料的膨胀不同，进而产生不同的形变，例如起皱、起皱、弯曲、屈曲。但是这些复合水凝胶通常有一个连续的表面，几何连续性导致相邻区域之间的位移相对有限，从而导致较小的变形幅度。受到剪纸艺术的启发，人们引入切口来打破连续性以解决上述问题，即剪纸（kirigami）方法。该方法通过多步形状记忆和外力相结合来实现不同构形之间的转换。研究还表明，基于剪纸结构的聚对二甲苯薄膜可以均匀的包裹老鼠的心脏，从而增强柔性电子元件的传感功能。这些结构通常是通过被动地施加机械力来实现3D结构。然而，借助外力限制了这些可变形结构的应用。
近日，浙江大学吴子良等人设计了一种具有剪纸结构的复合水凝胶，实现材料可编程的变形。研究人员通过引入一系列切口，分离复合凝胶相邻单元的几何连接，使响应凝胶条带具有较高的变形自由度和较大的变形幅度。并制作了一个多触点开关，展示了这种具有多稳态变形能力的复合水凝胶的潜在应用。实验数据和数值模拟都表明这种变形结构的设计思想和控制策略对其它智能材料在不同领域的应用具有一定的参考价值。
【图文详解】
设计思路以图1为例进行说明，矩形框架是刚性水凝胶，以限制软而高膨胀凝胶条在平面内膨胀；铰链是软质不膨胀凝胶，作用是将高膨胀凝胶条与刚性框架连接起来。这样，四个高膨胀凝胶条就可以由矩形框架连接得到交叉形状，形成一个多重稳定的组合。
在没有预处理的情况下，四条凝胶条在膨胀后向同一方向弯曲，使总弹性能最小化（图1b）。而通过预胀步骤控制每个高膨胀凝胶条的屈曲方向后，相同的复合水凝胶则可以实现不同的构象（图1c，d）。因此，该方法可以产生相对较大的反射振幅，并且通过预处理，达到预期的变形效果。
研究人员将此策略应用于柔性电子，设计了一个多触点开关以控制LEDs。电路如图3所示，两层构件的膨胀方向决定了电极的开/关状态，这导致了发光二极管的四种可能组合。
此外，对高膨胀凝胶条赋予形状手性可以实现平台的旋转。如图4所示，在水中膨胀后，弯曲的凝胶条经过平面外的膨胀和扭转后，会导致中心方形凝胶顺时针旋转15°。这种旋转也可以叠加在多层结构中，获得具有局部旋转的不同构型。
【结论】
在水凝胶中，借助剪纸结构来实现多稳态变形的例子较为少见，研究人员提出的这种概念和策略也适用于其他智能材料，相信未来在柔性电子、生物医学设备和软体机器人中也将有一定的应用价值。相关内容以“Kirigami‐Design‐Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch”为题发表在Advanced Materials.
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