這是一款登上 Science 的液晶彈性體，它能提起自重 450 倍的重物，從而用於人造肌肉和仿生機器；亦能透過模擬葉子做成氣孔結構，從而實現對於溫度的非單調響應，進而用於打造自適應型的溫度溼度調控材料和衣物。
圖 | 透過改變液晶分子的取向，實現在微觀尺度的多種非單調、多步雙向的機械形變（來源：Science）
相關論文的第一作者是姚昱星，其本科和博士分別畢業於清華大學和美國哈佛大學。在於 2025 年初全職加入香港科技大學擔任助理教授之前，他在美國哈佛大學擔任博士研究員期間的這篇論文正式發表在 Science
圖 | 姚昱星（來源：姚昱星）
研究中，姚昱星等人透過對於分子結構、相態以及取向上的調控，來實現對於分子層面上各項異性的調控，藉此開發出一種新型液晶彈性體（LCEs，liquid crystal elastomers），展示了本徵的非單調、多步雙向可變形性。
這一體系基於液晶彈性體構築，透過端基液晶彈性體（end-on LCEs）設計，透過以下三種設計實現了材料本徵的對於環境的非單調響應：
（來源：Science）
第一種設計是，在聚合前對液晶單體進行單軸排列；第二種設計是，建立了旋轉限制較小的側鏈端基液晶-聚合物連線結構；第三種設計是，利用液晶聚合過程中產生的定向應力積累。
在這種設計的指導之下，姚昱星和合作者透過分子動力學模擬以及化學合成，得到一系列具有兩種高階近晶相（smectic phase）的液晶彈性體：人字形斜向近晶 C 相（cSmC）和近晶 A 相（SmA）。
這些液晶彈性體可以實現在溫度、光照以及溶劑作用下，對於外界環境的非單調響應。比如在下圖中，右上角的微結構會在加熱的條件下，先向下彎折、再向上彎折。
（來源：Science）
同時，就像下圖展示的一樣，透過在聚合過程中對高分子取向的磁場調控，能夠輕易實現單一材料內很多種不同的非單調行為。包括但不限於：連續收縮和膨脹、右手和左手扭轉、向相反方向傾斜。
這種本徵非單調的行為意味著本次材料可以在不同溫度區間下實現不同的響應性，例如單調增、單調減以及非單調。
最後，這種化學本徵的非單調形變可以很簡單地將這種行為擴充套件到不同的尺度下，來實現各種不同的功能。例如，本次研究在宏觀尺度下（釐米級別），實現了液晶彈性體的高斯曲率反轉。與此同時，也展示了該材料在人造肌肉以及仿生機器中的各種可能應用。
（來源：Science）
目前，各種多材料的軟體機器的製備流程非常複雜，而本次材料可以讓其變成單一材料製備，從而能夠簡化製備過程。
因此，在應用上本次材料可以在微型醫療機器人、人造肌肉以及仿生機器上能展現出潛力。比如，可以透過模擬葉子氣孔，製備能夠實現自適應調控溫度和溼度的材料或衣物。再比如，可以做成無創手術機器人，從而在人體內控制血液的不同運動模式。
（來源：Science）
日前，相關論文以《程式設計液晶彈性體以實現多步驟雙向可變形性》（Programming liquid crystal elastomers for multistep ambidirectional deformability）為題發在 Science[1]。
姚昱星和哈佛大學阿塔利亞·米蘭·威爾本（Atalaya Milan Wilborn）博士是第一作者，哈佛大學喬安娜·艾森伯格（Joanna Aizenberg）教授、美國俄亥俄州立大學王曉光教授以及荷蘭格羅寧根大學邁克爾·M·勒奇（Michael M. Lerch）教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science）
據姚昱星介紹，如今軟體機器在人機介面等多個方面都展示出應用潛力。其中一個重要的元件就是利用軟物質的可控形變做成的執行器（soft actuator）。
近年來，對於“智慧”軟物質執行器的開發多聚焦於實現自適應的複雜仿生結構變形。該類自適應行為常依賴於材料的非單調的環境響應，即隨環境單調變化表現出相反的機械形變。
（來源：Science）
比如，在植物的葉孔結構中，葉孔的開合程度對於溫度是一個非單調的函式關係：即在低溫下葉孔處於微張開的程度來實現與環境中水汽的交換；如果環境溫度有一定的上升，那麼葉孔將會開啟來給植物降溫；如果該環境溫度上升突破了一個閾值，那葉孔將會關閉來保證植物不會由於失水而死亡。
這樣的自適應行為是生命體中基礎且重要的智慧基元，能夠保證生命體在複雜環境中的生存。
相較於生命體系，人造的材料體系中很難實現這些較為複雜的邏輯行為。這種非單調的行為需要材料體系具有可控的多穩態性質。
可是由於目前大多數軟材料僅能實現雙穩態切換，因此實現這類行為需要在雙穩態的材料上疊加複雜的幾何設計，比如說將 A 和 B 兩種不同的響應性材料貼合在一起。這樣的多材料體系多具有介面粘合的問題，且當材料尺度小到微奈米尺度下，製備也會變得困難。因此，假如能夠開發自身具有三穩態的材料，就能以更加簡單的方式，在各個尺度上實現類似生命體的複雜邏輯行為。
正因此在本次研究之中，姚昱星等人致力於透過對於分子結構、相態以及取向上的調控，來實現對於分子層面上各項異性的調控，從而得到具有本徵多步雙向可變形的三穩態軟材料。
圖 | 左邊為大多數具有雙穩態的材料，它們可以實現對於環境單調響應的形變。右邊為本次透過分子設計實現的三穩態材料，其能實現具有本徵非單調響應（或多步雙向變形）的軟材料（來源：Science）
另據悉，本次研究源於實驗中的反常現象：姚昱星之前在液晶彈性體的開發和應用上已經取得了一些相關進展。在一次實驗中，他希望研究不同的液晶結構會如何影響液晶彈性體在受熱形變時候的大小。
後來，姚昱星和現任俄亥俄州立大學助理教授王曉光博士在 2017 年一次實驗中偶然發現，一些液晶彈性體可以發生非單調的環境響應，即隨環境單調變化表現出相反的機械形變。
由於姚昱星之前已經做過不少液晶彈性體的體系研究，所以他一開始覺得可能是做錯了。後來重複多次之後，他發現這個體系確實可以實現複雜的機械形變。於是，他和合作者開啟了系統性研究。
經過一些初步的材料表徵之後，他們開始專注於理解該體系內的分子層面的機理：即研究是什麼樣的液晶分子結構或排列導致了這種反常的非單調行為？
他們最開始的猜測是：液晶彈性體可能形成了多籌相態。隨後，他們聯合美國布魯克黑文國家實驗室的合作者，透過同步輻射 X 射線散射來研究這種液晶彈性體裡的分子排列。結果發現和姚昱星一開始的猜測並不一樣：即本次液晶彈性體在常溫有一種特殊的人字形斜向層狀 C 相（chevron smectic C phase），在升溫後會轉變為層狀 A 相（smectic A phase），在更高的溫度下會變為各向同性（isotropic phase）。
（來源：Science）
為了研究分子結構對於這種特殊相態的影響，他們又聯合目前任職於荷蘭格羅寧根大學的邁克爾·M·勒奇教授團隊合成了各種液晶的單體，並發現在一定的分子結構的範圍內這種相態具有普適性。同時，姚昱星又透過組內合作，利用分子動力學模擬再次確認這些特殊相態的形成以及可能的分子機理。
接著，姚昱星和本次論文的共同一作在有限元模擬的指導下，設計了基於這種反常的非單調形變來實現的可能應用。他們先是展示了在大尺寸上同樣的非單調、多步雙向形變。透過對於大尺寸液晶彈性體的分子排列進行圖案化，實現了單一材料的高斯曲率反轉，藉此驗證了本次材料的應用價值。
目前，姚昱星已經在香港科技大學獨立建組。未來，他會繼續研究相態轉變以及非單調的機械形變，以及探索能否在液晶彈性體或其他軟材料中得到更復雜的相轉變，從而針對材料性質實現更加複雜的控制。
與此同時，他還將研究如何將這些自適應的行為轉化成軟體機器，以便將其用於微型醫療器械之中。另外，姚昱星也將結合自己在細胞工程中以及合成生物學的積累，來探索液晶彈性體在交叉方向上的可能。
參考資料：
1.Yao, Y., Wilborn, A. M., Lemaire, B., Trigka, F., Stricker, F., Weible, A. H., … & Aizenberg, J.（2024）. Programming liquid crystal elastomers for multistep ambidirectional deformability.Science, 386（6726）, 1161-1168.
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