第一作者｜Xiaoxing Xia
通讯作者｜Xiaoxing Xia
单位｜劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）；加州理工学院（Caltech）
【研究背景】
传统材料科学的核心范式，是通过成分—组织—性能关系来理解和设计材料。一旦材料被制备完成，其力学、电学或化学性能便被视为“静态属性”。
然而，随着增材制造与微纳加工技术的发展，一类全新的材料体系逐渐成形：结构化材料。它们不再仅依赖材料成分，而是通过跨尺度几何架构，在介观甚至微纳尺度上“编码”性能。
更进一步，一个根本性问题被提出：
材料的功能，是否一定在制造完成后就被“锁死”？
这篇 Nature Reviews Materials 综述，正是对这一问题的系统回答。作者将视角从“静态结构化材料”，推进到在空间与时间中被共同编程的响应型结构化材料。
【研究思路】
作者提出一个清晰的分析框架：
将响应型结构化材料按其激活机制进行分类，而非按材料体系本身。
在这一框架下，材料的响应并非偶然行为，而是由：
架构几何
材料分布
多物理场耦合路径
共同决定的时空演化过程。
全文围绕四大类响应机制展开，并进一步讨论其背后的类比物理、缺陷、相变与拓扑行为，最终指向“材料智能化”的可能路径。
【机械驱动：由结构不稳定性触发的可编程变形】
图1｜通过屈曲、旋转与多稳态设计实现的机械响应型结构化材料。机械驱动是目前最成熟的一类响应机制。作者系统总结了通过结构不稳定性实现的可编程形变路径。
典型策略包括：在晶格、薄片或壳体中有意引入细长构件或软铰链，使材料在超过线弹性区后发生协同屈曲。与传统结构失效不同，这种屈曲是被设计的、可逆的、可重复的。kirigami 与 origami 结构是其中最具代表性的体系：仅通过切割或折叠，就能实现从二维到三维的巨大形变，并在卸载后保持或恢复特定形态。
【热驱动：温度触发的结构相变与形态重构】
图2｜热膨胀、相变与形状记忆机制驱动的结构响应。热响应型结构化材料利用温度变化，引发：
各向异性热膨胀
液晶弹性体（LCE）的有序—无序转变
形状记忆聚合物（SMP）的玻璃态—橡胶态切换
通过在打印过程中编码材料取向与分布，结构可在加热后主动变形，在冷却后“锁定”新形态。这一机制已被广泛用于自展开结构、微创医疗器械与软体机器人。
【化学驱动：环境响应与化学—力学耦合】
图3｜溶胀、pH 变化与化学反应驱动的结构重构。在水凝胶与高分子体系中，材料可通过溶剂吸收、pH 变化或化学反应实现体积变化。作者强调，真正关键的并非材料是否“会溶胀”，而是如何通过结构设计将各向同性溶胀转化为各向异性形变。
典型例子包括：花瓣状自展开结构、pH 响应微伞，以及具有“化学稳态反馈”的自调控系统，展示了材料在无需外部控制器情况下维持环境稳定的能力。
【电磁驱动：远程、快速、非接触式响应】
图4｜磁场、电场与光场驱动的结构化响应材料。相比机械与热驱动，电磁响应的最大优势在于：远程控制与快速响应。
通过在打印过程中对磁性颗粒进行取向编程，材料在磁场中可瞬时发生复杂三维变形；光响应体系则利用光热或分子异构效应，实现毫米到厘米尺度的连续运动。这些体系为无缆软体机器人、微操作系统与智能器件提供了基础。
【从材料到“类物理系统”的类比】
图5｜结构化材料中的缺陷、相变与拓扑类比。在综述后半部分，作者提出一个极具启发性的视角：结构化材料中同样存在“缺陷、相变与拓扑态”。
架构缺陷 ≈ 晶体中的位错与晶界
结构重构 ≈ 相变前沿传播
特定几何设计 ≈ 拓扑保护态
这种类比不仅帮助理解复杂变形行为，也为未来鲁棒结构设计与功能保护机制提供了理论基础。
【研究意义】
这篇综述清晰表明：材料不必是静态的功能载体，而可以是被预先编程的动态系统。通过在空间与时间两个维度上设计结构，材料能够主动响应环境、重构形态、甚至执行逻辑功能。这一理念将结构化材料从“性能增强”推向“功能演化”，为未来的智能材料、软体机器人、自适应结构与材料级计算奠定了系统性的理论与工程框架。
文献引用
Xia, X., Spadaccini, C. M., Greer, J. R.
Responsive materials architected in space and time.
Nature Reviews Materials7, 683–701 (2022).
DOI: 10.1038/s41578-022-00450-z