智能响应性器件可以自主改变其形态构象以响应各种外部刺激，例如pH、温场、磁场、电场等，在仿生学、药物输送、组织工程、人造肌肉、纳米马达、以及微/纳米传感和驱动等新兴领域具有巨大的应用潜力。在各种类型的外部刺激响应中，光控响应由于其天然的物理属性而具有许多独特的优势，例如远程和精确驱动能力、多维光场调控能力（如波长、频率、强度、偏振态、以及能量的时空分布等），是实现各类智能器件应用的不可或缺的方式之一。然而，迄今为止，具有低光场驱动阈值、快速响应能力以及用户可自定义且精确可调的三维转换能力的人造光控智能微纳响应性器件仍然难以实现。

最近，华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授带领的微纳极端制造团队提出了一种新型光固化智能材料体系和单步飞秒激光4D打印策略，用于可编程光控智能响应性器件的纳米增材制造，实现了精确的光驱动三维结构变形能力。该4D打印策略主要依赖于两项进展，包括单臂碳纳米管（SWNT）掺杂N-异丙基丙烯酰胺复合智能水凝胶材料的开发，以及各项异性机械超材料单元的结构设计和一体化组装。单壁碳纳米管的均匀掺杂同时增加了复合水凝胶交联网络的光吸收系数、热导率和机械模量，有效解决了智能水凝胶的机械模量和响应灵敏度之间的矛盾。此外，设计并组装由超材料单元结构组成的智能响应性器件，实现了高效率单步飞秒激光4D打印直写（FsLDW）成形。该单步单参数的飞秒激光直写方法不仅具有任意复杂三维结构成形能力和出色的形状保真度，而且还能够实现具有大动态范围、精确可调的三维结构变形功能（图1）。该飞秒激光4D打印策略为开发先进的微纳智能响应性器件，及其在生物医学、仿生结构和软机器人中的应用开辟了道路。

图1.单步飞秒激光微纳4D打印方法示意图

研究团队开发并验证了由不同晶胞单元组装而成的微纳结构在光刺激下的各向异性驱动特性。通过巴基球结构和实心立方体结构的实验对比可发现，具有特定空间结构的巴基球产生了400 nm至2.4 µm的可变层间距，同时基于飞秒激光直写过程中的邻近效应，巴基球单元产生了刚性外框而内部弱交联凝胶填充的“刚柔并济”的异质结构，这不仅表现出比实心立方体更加优异的形状保真度，同时，巴基球结构在光刺激下还表现出更加显著的收缩行为（图2）。

图2.“刚柔并济”微纳结构的设计和打印实现，以及在光刺激下的结构变形能力

基于该飞秒激光微纳4D打印策略，研究团队制造出了各种光控智能响应性微纳器件，例如智能微柱纤毛、微型心脏瓣膜和微型爪夹持器等（图3）。此外，熊伟团队还成功打印出了尺寸仅为80×120×60 µm³的光驱动仿生心脏，并展示了其在光刺激下的快速形状转换能力和良好的时空可控性。

图3.光控智能响应性微纳器件

该研究成果已于近期发表在期刊 Advanced Functional Materials，武汉光电国家研究中心博士生邓春三、刘耘呈为论文共同第一作者，熊伟教授为该论文通讯作者，研究单位为华中科技大学和湖北光谷实验室。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、光谷实验室创新研究项目和武汉-曙光知识创新计划的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202211473