由飞秒激光划刻的高纵横比微结构的拉伸诱导可逆自生长

按需变形的表面

想象一张柔软橡胶片能在数秒内长出整齐的小尖柱，然后又像什么都没发生一样回复成光滑表面。本文介绍的正是这种会变形的材料。它提供了一种快速、可逆的方法来生成微观凸起和柱状结构，可用于改善盲人触觉阅读、隐藏秘密信息，或制造可按需改变纹理的智能涂层。

向自然会动的“皮肤”学习

自然界中，动物通过改变皮肤纹理来增加抓握力、附着力或伪装。科学家长期试图模仿这些策略，但现有方法常依赖缓慢的化学反应、有毒成分或一次性形变。先前所谓的“自生长”塑料结构通常只能从表面略微隆起，且难以快速或可逆地调控。新的方法称为拉伸诱导聚合物自生长（SIPS），通过用简单的力学操作取代缓慢的化学过程来突破这些限制：拉伸、划刻并释放柔软橡胶片。

如何生长与消除微米级柱体

核心思想很直接。一层薄薄的弹性膜——例如硅橡胶、聚氨酯或水凝胶——首先像鼓面一样在两个方向被拉紧。在拉伸状态下，飞秒超快激光在其表面描绘微小封闭形状（例如圆形或方形），切割材料的一部分。这些切口使得周围受应力的材料得以松弛并向内收缩，将小部分区域顶起形成三维柱体。随着激光沿同一路径切割更深，更多材料向中心收缩，柱体不断增长，其高度可达到与宽度相当或更大。计算机模拟表明，这种生长主要由两个控制参数决定：薄膜的拉伸程度和激光切割的深度。

可逆形状控制与弯曲柱体

SIPS 的一个关键特性是可逆性。当膜上的张力被释放时，周围材料放松并重新变厚，柱体便会下沉，表面恢复到接近平整。再次拉伸薄膜可以在几秒内让相同的柱体重新出现。柱阵列在多次拉伸-释放循环中保持间距和总体形态，表明该过程是机械稳定的，而非一次性塑性形变。通过在一侧比另一侧切割得更深，团队还可以制造出朝指定方向倾斜的柱体，而非垂直直立。这种弯曲源自柱体两侧应力释放的不均匀，可通过调整激光划刻的位置与强度精细调节。

从微小抓爪到可调节盲文

由于这些柱体又高又细，它们在与微小物体以及人类触觉的相互作用上特别有效。研究者用数根向内弯曲的柱体构成了类似爪子的结构，通过简单拉伸或放松薄膜即可按需抓取与释放玻璃微球。他们还用柱阵列制作了盲文字符。通过改变膜的拉伸量，点间距和高度都可以连续调节——从而使图案更容易或更难被触摸识别。在对学习盲文的小学生测试中，每个学习者在不同的拉伸水平下能可靠识别字符，表明该平台可根据个人的触觉敏感度和技能进行适应。在另一项演示中，弯曲柱体指向的方向被用来编码类似触觉摩尔斯电码的短语：拉伸时“信息”可被肉眼或触觉读取；释放时，柱体隐入表面，仅留下微弱的激光痕迹。

对未来智能表面的意义

总体而言，这项工作展示了仅通过拉伸、激光划刻和释放常见软材料就能制造出精确的高纵横比微结构，并能按命令生长与消失。与化学生长方法不同，SIPS 速度快、使用广泛可得的弹性体、避免了复杂配方。由于该技术适用于多种材料，且原则上可与添加的颗粒（以赋予额外的光学、电学或磁学功能）结合，它为可调节表面、触觉显示和其他可物理重构的软微器件开辟了一条强有力的新途径。

引用: Zhang, Y., Zhang, N., Wu, D. et al. Stretch-induced reversible self-growth of high aspect ratio microstructures scribed by femtosecond laser. Nat Commun 17, 2124 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70098-8

关键词: 智能表面, 微结构, 触觉显示, 弹性聚合物, 激光加工