要求：概括本文主旨（<22汉字）。
系统解码机械响应超材料的多物理机理、跨尺度制造与前沿应用，奠基下一代智能材料体系。
Systematically decodes the multi-physics mechanisms, cross-scale fabrication, and frontier applications of mechanically responsive metamaterials, laying the foundation for next-generation intelligent material systems.
【初衷】
随着柔性电子、智能机器人及多功能结构系统的快速演进，材料不仅需具备优异性能，更需具备环境感知、自主响应与功能重构能力。在多项交叉研究中，我们深刻体会到：机械响应性超材料作为融合结构力学与材料物理的新兴体系，正逐步成为实现这一目标的关键路径。本文旨在系统揭示其多物理耦合机制、制造方法与跨领域应用潜力，建立从基本原理到工程实践的科学链条，为构建可编程、可集成、可持续的下一代智能材料体系提供理论支撑与技术框架。
【正文内容】
在传统材料逐渐无法满足柔性智能系统对多场响应、自适应调节及可编程行为的复杂需求之际，机械响应超材料作为融合材料功能性与结构几何设计的新兴方向，正展现出强大的潜力。它们通过结构-材料-物理场三者的深度耦合，实现了对热、电、光、磁、液体与力学刺激的精准响应，赋予材料前所未有的可控变形、力学调制与智能驱动能力。本文以多维度视角系统解析响应性超材料的基本构筑单元与响应机制，评估当前主流制造工艺的适配性与可拓展性，并深入探讨其在机器人、生物医疗、航空航天、信息调控等领域的前沿应用，为推动智能材料从概念探索迈向工程实践提供理论指导与方法参考。（图1）
图1 图文摘要
机械响应性超材料作为新兴的功能材料体系，正在重新定义“结构”与“材料”之间的边界。相比传统被动材料，它们通过将多物理场响应机制与可编程几何结构深度融合，使材料具备感知环境、自主响应和功能重构的能力。这类超材料能响应于热、电、光、磁、液体甚至机械压力等多种外界刺激，实现形状、模量、泊松比等参数的动态调节，展现出高度集成化、多功能化与系统化的材料行为。
一、从被动结构到主动材料：多物理响应机制的协同设计
响应性机械超材料的本质在于材料本体对环境刺激的主动反馈。这一响应来自材料内部分子结构、相变行为或能量转化机制。热响应是最基础也最广泛应用的一类。例如，形状记忆聚合物（SMP）在特定温度下会恢复预设形态，液晶弹性体（LCE）则因液晶取向变化而实现驱动变形。在结构设计辅助下，这些材料可构建出具备复杂折叠、展平与自锁行为的功能器件。
电响应机制则依赖材料的电热效应、电化学反应或压电效应等特性。例如，碳纳米管、银纳米线与聚合物复合材料可在电流激发下产生热致变形；压电陶瓷嵌入超材料结构中，则可实现力信号与电信号的双向转换，赋予材料自感知能力。
光响应超材料通过光热转化或光致化学反应产生功能变化。常见的材料如偶氮聚合物，在光照条件下可实现分子构象的顺反异构变化，进而引发形变或模量变化。若与微结构设计结合，则可实现可逆变模量、微尺度折叠等复杂响应行为。
此外，磁响应机制和流体响应机制也是重要的发展方向。嵌入永磁颗粒或磁性纳米材料的复合体可以通过外加磁场实现空间取向控制或刚度变化，而溶胀性水凝胶和pH响应材料则可对液体环境的变化产生显著的结构行为，如膨胀、收缩、表面重构等。上述多物理场响应单元可进行模块化组合，进一步提升系统复杂性与功能多样性。
图2 超材料基材的多物理响应机理示意图
二、以结构为媒介：构型设计如何放大与调控响应？
结构是超材料智能行为的放大器。机械响应超材料之所以不同于传统功能材料，关键在于其结构单元的高度设计自由与复杂力学行为。
第一层设计维度是几何非线性放大。例如，折纸、剪纸、双金属片等结构可以在极小驱动下实现大范围形变，同时具备可编程的形态转化与多稳态控制能力，常被用于可展开构件与仿生驱动单元中。
第二层是构型与响应机制的耦合优化。一些负泊松比结构通过局部旋转或拉伸机制实现正负泊松比切换，结合响应材料后可构建高柔顺性与能量吸收性能兼具的结构单元。
第三层是异质材料/多层结构集成。通过多材料界面的相互作用或功能层间的物理梯度调控，可实现模量变化、响应时序与功能分区，实现“一个结构，多重功能”的设计目标。
这种“响应行为–几何构型–多材料集成”的三维协同，使超材料不仅具备高度灵活性，也具备精确的功能控制能力，是实现系统级功能融合的核心逻辑支点。
表1 各种响应机制的典型基材、超材料结构与响应参数
三、以制造为桥梁：多尺度加工技术如何承载智能构筑？
从设计到应用，制造是决定超材料能否落地的关键环节。当前主流制造方法正呈现出从宏观快速制造向微尺度高精度构筑的演进趋势。
在宏观维度，注模成型适合快速复制单一响应材料的结构单元，但在异质集成与复杂构型方面仍有限制。3D打印技术，尤其是熔融沉积成型（FDM）、墨水直写（DIW）、数字光处理（DLP）、材料喷射打印（MJ）等不同模式，为复杂构型与多材料融合提供了解决路径。DIW可实现高黏度墨水的多材料共打印，适用于形状记忆等复合器件的构建；DLP通过灰度曝光实现模量梯度与响应路径的预编程。
在微纳尺度，静电熔融直写（MEW）、飞秒激光加工与光刻等技术可以构建亚微米甚至纳米尺度的响应结构，实现高精度柔性传感器、微纳执行器或微流控器件等。
此外，多尺度集成策略正在成为制造发展的关键趋势，即将微观功能单元嵌入宏观结构内，从而实现功能密度最大化与响应路径最优解。
图3 机械响应性超材料的典型加工方法示意图
四、以应用为牵引：智能系统中的战略价值何在？
最终目标是落地应用。机械响应超材料已在多个前沿领域展现出强大的技术牵引力，成为智能系统设计的重要支撑材料平台。
在软体机器人与仿生驱动领域，热–磁双响应构件可实现高自由度的仿生形态变化，在水下推进、柔性抓取与环境适应中表现出色；在生物医疗领域，温敏展开支架、可穿戴伤口敷料与刺激响应控释系统为精准医疗与微创治疗提供了技术支撑；在航空航天方向，响应性折纸结构正被用于可部署天线、变构型翼面等空间器件中，有效提升轻量化与智能化水平。
同时，在信息安全与通信调控等新兴领域，结构响应型光学加密器、可重构声子切换器件等也正迅速发展，为未来的智能信息物理系统提供基础材料支持。
这些广泛应用不仅体现出响应超材料的工程适应性，也意味着其正逐步从实验验证走向产业级创新，成为智能系统构型的“底层材料逻辑”。
图4 机械响应性超材料的多场景应用
综上，机械响应超材料以其材料–结构–制造–应用四位一体的深度耦合体系，正引领新一轮材料智能化转型。从感知环境的“智能结构单元”到驱动系统行为的“材料引擎”，其研究不仅揭示了材料科学的新范式，更为高端装备、柔性电子、未来医疗与智慧基础设施提供了广阔的发展空间。随着AI辅助设计、绿色制造与标准体系的完善，响应性超材料的“结构智能革命”将真正走向现实世界。
【作者简介】
天津大学杨世举、丁郝时、谈俊龙、张艺瑶为本文共同第一作者，天津大学穆九柯教授、重庆大学尹志刚教授、青岛理工大学朱晓阳教授为论文共同通讯作者，天津大学为第一通讯单位。
穆九柯课题组（软体智能驱动课题组）主要从事功能复合材料跨尺度成型加工方法及设备、微型-软体机器人、多功能执行器及人工肌肉纤维等领域的研究，成果以第一或通讯作者在Science、Chemical Society Reviews、PNAS、The Innovation、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Fiber Materials、ACS Nano等高影响力期刊上发表多篇学术论文，授权多项PCT国际专利及中国发明专利并部分完成产业化转让。长期欢迎机械、材料、纺织、自动化、力学等学科背景的副研究员、博士后、博士生、硕士生及本科生加入课题组。
联系邮箱：jiukemu@tju.edu.cn
