波士顿大学机械工程系和材料科学与工程系的研究人员Javier M. Morales Ferrer、Chloe Kekedjian、Nicole Bacca与J. William Boley合作，于2025年在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊上发表了题为“用于刚韧4D打印多功能结构并兼具损伤检测与耐受能力的合成筋膜”的研究论文。该研究属于智能材料与先进制造领域，针对4D打印技术中长期存在的核心挑战——即难以在单一材料中同时实现高刚度与高韧性——提出了一种创新的解决方案。研究人员受到人体骨骼肌组织结构的启发，开发了一种多材料复合打印方法，成功制备出性能卓越的“合成肌肉复合材料”，为制造下一代高性能、多功能且具有损伤耐受能力的4D打印结构开辟了新途径。
4D打印是3D打印技术的进阶发展，其核心在于打印出的三维结构能够在外界刺激（如温度、光、湿度、磁场）下，随时间发生可控的形状、属性或功能变化。这种动态响应特性使其在可展开结构、动态光学、机器人技术和可调天线等领域展现出巨大潜力。然而，现有的4D打印材料普遍面临“刚度-韧性”权衡困境：软材料（如水凝胶、硅橡胶、液晶弹性体）虽可大幅变形但刚度和承载能力不足；而高刚度材料（如某些环氧复合材料）则往往脆性大，抗损伤能力差。此前，Boley课题组开发的多尺度异质环氧复合材料（Multiscale Heterogeneous Epoxy Composites, MHECs）已成功将材料的弹性模量（E）提升了高达4个数量级，实现了大尺度、可逆的形状变化和电控驱动。但MHECs本质上是脆性的，在微小应变下就容易断裂，限制了其在需要高可靠性或极端负载环境下的应用。因此，开发一种兼具高刚度、高韧性、可控驱动以及损伤感知与耐受能力的新型4D打印材料体系，成为推动该领域向高性能应用发展的关键科学目标。
本研究的工作流程系统而完整，主要包含以下五个核心步骤：
第一步是“合成筋膜”材料的设计、制备与表征。 研究团队以聚二甲基硅氧烷（PDMS）树脂为基础，通过调整其基体与交联剂的比例，并引入气相二氧化硅（Fumed Silica, FS）作为流变改性剂，开发了一系列适用于直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW）打印的PDMS基“合成筋膜”（Synthetic Fascia, SF）墨水。这些墨水不仅具有合适的剪切屈服应力和剪切稀化行为以确保打印性，其界面粘附强度（剥离强度，P）和韧性（K）也实现了可调（P: 10至300 N/m; K: 4至6 MJ/m³）。通过化学分析（如FTIR和GC-MS），研究人员发现其自研的SF配方中，非极性Si-H基团含量极低，且含有独特的2-乙基-1-己醇成分，后者能引发环氧开环反应，从而与MHECs形成强化学键合。这解释了为何其SF对MHECs的粘附强度比市售Ecoflex和SE1700等PDMS高出约3个数量级。此外，采用共打印共固化工艺（打印丝道重叠约5%）能进一步促进聚合物链混合与层间扩散，使界面剥离强度比传统浇筑固化工艺提升约8倍。
第二步是合成肌肉复合材料的制备与力学性能优化。 研究人员将高刚度的MHECs（作为“合成肌肉”）与高粘附、高韧性的SF（作为“合成筋膜”）通过多材料DIW技术进行复合打印。他们系统研究了不同MHECs与SF体积分数（f_MHEC和f_SF）对复合材料宏观力学性能的影响。通过制备一系列不同配比的试样，并进行单轴拉伸测试，获得了复合材料的弹性模量（E）和韧性（K）。结果表明，复合材料的E值随着MHECs含量的增加而升高，但略低于理想的混合法则预测值，这可能是由于界面处的材料粗糙度导致了应力集中。更为重要的是，复合材料的K值表现出一个明显的峰值：当MHECs体积分数约为80%、SF体积分数约为20%时，复合材料的韧性达到最大值（约27 MJ/m³）。这一最优配比使得复合材料在保持接近纯MHECs的高刚度（~22.41 GPa）的同时，其韧性相比纯MHECs（~0.3 MJ/m³）提升了近3个数量级，也比目前已知的最坚韧的软致动器材料高出约3倍。这种“刚-韧”协同增强效应归因于SF软相能够有效地阻碍和钝化MHECs硬相中裂纹的扩展。
第三步是损伤耐受型双层致动器的设计与性能验证。 为了展示合成肌肉复合材料的实用性，研究团队4D打印了一种电控双层致动器。该致动器的核心是由两种具有不同热膨胀系数（CTE）的MHECs墨水构成的双层结构，遵循双金属片原理，通过焦耳加热产生可控弯曲变形。整个MHECs双层结构被最优配比的SF完全封装。研究人员在此致动器上人为引入了一系列等间距的断裂（从0到7处），以模拟极端损伤。电学测试结果显示，随着断裂数量的增加，致动器的电阻会发生可检测的阶跃式变化，表明该结构具备内在的自感知断裂检测能力。更重要的是，即使存在多达7处断裂，致动器在焦耳加热下仍然能够产生与未损伤时相似的可控、可逆且可预测的弯曲形变。热成像显示，断裂点附近由于接触电阻增大，会产生局部热点，但SF层保持了结构的整体几何完整性，使得电流通路和机械传力路径得以维持。
第四步是高性能举重机器人的构建与极限测试。 基于先前设计的MHECs举重机器人构型，研究人员在其外部包裹了SF层（体积比约为MHECs: SF = 70:30），制造出“刚-韧”举重机器人。性能测试表明，在发生机械失效前，该机器人能够举起相当于自身重量约1230倍的重物，创造了3D打印致动器的新纪录，其驱动应力达到5.8 MPa。即使在腿部发生断裂失效后，由于SF层的“捆绑”作用，机器人仍能保持部分功能，继续举起相当于自身重量564倍的重物。与文献中其他可打印响应致动器相比，本研究中的机器人在失效前的性能（驱动应力与比举重质量）均超越了所有主动式和被动式致动器；即使在失效后，其驱动应力仍优于其他所有工作。
第五步是3D感知 lattice结构的极端环境耐受性演示。 研究人员将合成肌肉复合材料集成到一个复杂的、电响应的形状变换点阵结构中。通过对比纯MHECs点阵和复合材料点阵在外界扰动下的表现，显著体现了SF的增强效果。纯MHECs点阵在首次压缩循环中就发生断裂，结构完整性丧失，电响应出现开路信号。而复合材料点阵则能承受多达6次的大锤冲击和压缩循环测试。每次冲击都会在电阻曲线上产生一个尖峰，表明其具备损伤检测能力；同时，所需的压缩力随损伤累积而下降，但结构整体仍保持形状和功能。最为极端的测试是驾驶一辆汽车压过该复合材料点阵。结果显示，点阵不仅承受了相当于自身重量33万倍的巨大压缩载荷，还能在过程中检测到损伤信号，并且在载荷移除后仍保持其半球形形貌和电驱动变形能力。
本研究的主要结论是，成功开发并验证了一种用于4D打印的仿生合成肌肉复合材料。该材料通过结合高刚度MHECs和高韧性、高粘附性SF，实现了刚度与韧性的协同提升，突破了现有材料的性能权衡。所制备的结构展现出前所未有的损伤耐受性（可容忍多次断裂）、自感知能力（实时检测损伤）以及在极端负载下的功能保持性。研究明确了达到最优韧性（约27 MJ/m³）的材料体积配比（MHECs: SF ≈ 80:20），并揭示了高界面粘附的化学与工艺机理。
这项研究的科学价值在于，它提出并实现了一种普适性的材料设计策略，即通过模仿自然生物组织的多级复合结构（如肌肉-筋膜系统），利用多材料增材制造技术，将功能互补的材料在微观尺度上进行精确整合，从而创造出传统均质材料无法实现的综合性能。这为设计下一代高性能智能结构提供了新的范式。其应用价值则十分广阔，为开发能够在恶劣或不可预测环境中可靠工作的先进机器人（如搜索救援、太空探索）、自适应承载结构（如可展开天线、智能蒙皮）、以及兼具传感与驱动功能的一体化器件奠定了材料基础。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：首先是仿生设计理念的创新性，将人体骨骼肌的“刚韧结合”原理成功应用于合成材料体系。其次是性能突破的显著性，在保持22 GPa高刚度的同时，将韧性提升了近3个数量级，并创造了3D打印致动器的举重记录。第三是功能集成度，在同一结构中无缝集成了驱动、高承载、损伤自感知与耐受等多重功能。第四是验证的极端性与说服力，从微观力学测试到宏观的汽车碾压实验，系统地、多层次地证明了材料的卓越性能。最后，工艺的可行性，所有结构均采用成熟的DIW技术一体成型，展现了该方案与现有增材制造技术的良好兼容性和可扩展性。