人工微结构的制备是微纳制造领域的核心研究方向，传统的减材、增材制造技术（如切割、模塑、3D打印）虽能实现高精度加工，但存在工具磨损、模具损坏、需使用化学试剂等问题，且制备的结构形态固定，难以满足可调功能的需求。
近年来，化学驱动的聚合物自生长技术为表面微凸起结构的图案化制造提供了新的思路，并显著推动了相关领域的发展。然而，该类方法仍存在三方面的局限：（1）对材料体系依赖性强，通常需要使用光响应聚合物或可聚合单体等复杂化学组分，预处理步骤繁琐，且反应条件较为苛刻；（2）受限于化学反应动力学及物质扩散速率，结构生长速率较低，通常仅为几十纳米每秒至数微米每秒，同时其可逆调控过程响应速度亦较慢；（3）受基底约束效应影响，所形成的结构多为低长径比（<0.3）的直立微凸起，难以实现高长径比或弯曲微结构的可控构筑。研究团队此前开发的激光诱导聚合物自生长（LIPS）方法，虽实现了微结构的自生长，但仅适用于热收缩形状记忆聚合物，且结构无法可逆调控，应用范围受限。因此，开发一种简单通用、可快速可逆调控高长径比自生长微结构的方法，成为该领域亟待解决的关键问题。
1.高长径比+超快生长，突破传统技术局限
该方法（SIPS 方法，图1）制备的微柱结构长径比最高可达1.4，显著高于传统化学驱动方法(约0.25)。微结构生长速度最高可达130 μm/s，相较于化学驱动方法提升了两个数量级。同时，得益于SIPS方法的非热效应特性，所制备微结构的最小特征尺寸可低至 15 μm，远优于传统LIPS 方法约150 μm 的尺度，从而实现了微结构的高精度与高效率制备。
图1|拉伸诱导聚合物自生长的机理及微结构的可逆调控。（a）在双轴拉伸的硅胶膜上，拉伸诱导聚合物自生长微结构的示意图和实验验证。（b）SIPS过程及其后续可逆调控的示意图、模拟和实验验证。图中参数λ、H₂分别表示拉伸比和激光刻写深度。
2.机理清晰+仿真可预测，指导结构精准设计
实验与有限元仿真结果证实，微柱高度由弹性膜拉伸比和激光刻蚀深度共同决定（图2），且满足定量关系：H₁=(λ²-1)(H₂-28)，仅当λ>1且H₂超过28μm时，微结构才会发生凸起生长。该定量规律为微结构的精准设计提供了理论依据，可有效减少实验试错，提升制备效率。此外，研究发现材料的杨氏模量对微结构尺寸无显著影响，进一步印证了方法的普适性。
图2|拉伸诱导直型微柱的自生长。（a）在双轴拉伸膜上（拉伸比λ=1.67），随着激光扫描圈数从1增加到80，直型微柱的激光共聚焦图像。（b）图a中所示直型微柱对应的横截面轮廓。（c）微柱高度和直径随激光刻写深度变化的实验结果。（d）完全释放膜后，图a中微结构的激光共聚焦图像。（e）图d中所示微结构对应的横截面轮廓。（f）释放膜后，微柱高度和直径随激光刻写深度变化的实验结果。（g）微柱高度随激光刻写深度和拉伸比变化的等高线图。（h）微柱直径随激光刻写深度和拉伸比变化的等高线图。（i）在五种实验条件下微柱高度的实验与模拟结果比较。（j）在五种实验条件下微柱直径的实验与模拟结果比较。（k）根据模拟结果，不同激光刻写深度下微柱高度与拉伸比的定量关系。（l）根据模拟结果，不同激光刻写深度下微柱直径与拉伸比的定量关系。
3.多材料兼容+全可逆调控，具备普适性
SIPS方法适用于硅橡胶、PU、PDMS、介电弹性体（VHB）、水凝胶等多种弹性膜材料，克服了LIPS方法仅适用于形状记忆聚合物的局限性。通过控制弹性膜的拉伸比（λ）和激光刻蚀深度（H2），可精准调控微柱的高度、直径、间距，且释放应力后微结构可缩回基底形成平整表面，重新拉伸后又能恢复微结构形态，实现了结构形态的快速、可逆、循环调控，经1000次拉伸-释放循环测试，微结构仍保持稳定的几何形态和力学性能（图3）。
图3|拉伸诱导自生长直型微柱的可逆调控。（a）微柱随拉伸比从1.67变化到1的侧视光学图像及相应模拟。（b）在69、85、119和127㎛激光刻写深度下制备的微柱高度随拉伸比的变化。（c）对应图b中四个结构，在十次连续的释放和重新拉伸循环中微柱高度的循环变化。（d）图b中微柱间距随拉伸比的变化。（e）图b中微柱间距在十次释放和重新拉伸循环中的变化。
4.可制备弯曲微结构，实现信息可编程编码
利用非对称激光刻蚀策略，研究团队实现了弯曲微柱的可控制备（图4），通过调节非对称刻蚀深度，可精准调控微柱的弯曲角度（90°~122°）和长度。弯曲微结构的方向可编程特性，使其可作为信息编码单元，结合摩尔斯码实现信息的加密与解密——拉伸状态下编码信息清晰可见，释放应力后微结构缩回，信息实现加密，且该过程可反复可逆进行。
图4|拉伸诱导弯曲微柱的自生长及可逆调控。（a）说明弯曲微柱制备及可逆调控的示意图和模拟。（b）不同H₃下制备的弯曲微柱的径向应力分布模拟。（c）图b所示弯曲微柱左、右根部应力的比较。（d）在1.67拉伸比下，随着H₃增加制备的弯曲微柱的激光共聚焦图像。（e）图d中弯曲微柱对应的横截面轮廓。（f）完全释放膜后，图d中微结构的激光共聚焦图像。（g）图f中微结构的横截面轮廓。（h）随着H₃增加，弯曲微柱的模拟高度轮廓。（i）微柱弯曲角度(α)和长度(L)随H₃变化的实验与模拟结果。（j）随着H₃增加制备的微柱在释放过程中弯曲角度的变化。（k）随着H₃增加制备的微柱在释放过程中长度(L)的变化。（l）随着H₃增加制备的微柱在十次释放和重新拉伸循环中弯曲角度的变化。（m）随着H₃增加制备的微柱在十次释放和重新拉伸循环中长度的变化。
5.面向实际应用，完成多场景概念验证
基于SIPS方法的可调微结构，研究团队开发了可调节盲文训练平台，可通过拉伸/释放弹性膜，连续调控盲文点的高度和间距，适配不同触觉灵敏度的初学者（如视障儿童、后天视障人群）。测试表明，该平台可从“易识别模式”（高拉伸比，大尺寸盲文点）逐步过渡到“标准模式”（低拉伸比，标准尺寸盲文点），有效提升盲文学习效率。同时，微结构经2000次模拟指尖触摸测试，仍保持结构完整且长径比略有提升，满足实际使用的耐久性要求。此外，团队还制备了爪状微结构，实现了微球的原位捕获与释放，展现了在微物体操控领域的应用潜力。
图5|可调盲文和信息加密/解密的应用。（a）通过拉伸或释放弹性膜调节盲文的示意图。（b）小学生测试具有可调微柱高度和间距的盲文图案的示意图。（c）学生之间临界识别拉伸比的变化，反映了触觉敏感性和盲文熟练程度的差异。（d）盲文识别难度可通过调整拉伸比来调节。侧视光学图像显示了相应的微柱间距和高度。（e）在1.67拉伸比下，短语"激光诱导聚合物自生长"被编码成五排微柱。（f）完全释放膜后，仅激光烧蚀痕迹可见，使编码信息暂时不可见。重复释放和重新拉伸可实现信息加密和解密的可逆转换。
该研究提出的拉伸诱导聚合物自生长（SIPS）方法，创新性地将飞秒激光精准刻蚀与弹性膜的应力调控相结合，成功解决了传统聚合物自生长技术长径比低、可逆性差、制备速度慢、材料兼容性差等关键问题，实现了高长径比、高精度微结构的快速制备与可逆调控。该方法无需复杂的化学预处理，操作简单、普适性强，制备的微结构在力学稳定性、循环可逆性上表现优异，且可通过激光刻蚀策略灵活制备直微柱、弯曲微柱及各类阵列结构。
该方法为可重构微结构的制备提供了全新的技术路径，有望在微纳制造、自适应表面工程、柔性电子、生物医学工程等领域开辟新的研究方向。
研究团队：该研究由合肥工业大学吴思竹教授、中国科学技术大学胡衍雷教授担任通讯作者，合肥工业大学张亚超副教授、中国科学技术大学张念为共同第一作者。研究团队成员还包括中国科学技术大学吴东教授、李家文教授、王柳教授、褚家如教授，西南科技大学崔泽航，以及浙江大学李鹰教授、香港中文大学张立教授等。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及安徽省自然科学基金等项目的资助。研究团队同时对合肥市特殊教育学校秦娟、李婷婷老师及十余位小朋友在盲文训练平台概念验证实验中提供的宝贵支持表示衷心感谢。
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撰稿：课题组
