3D 打印变色与形状可编程结构：解锁图像识别电子锁的加密新钥匙

为解决传统加密锁安全性差、易复制等问题，研究人员开展多刺激响应材料及复杂加密系统研究。成功制备多刺激响应墨水和 3D 结构，设计可编程加密盒，提高安全性。该研究为相关领域提供新思路。

　　在神奇的材料世界里，许多动植物拥有令人惊叹的能力。比如，捕蝇草能像开关一样迅速闭合捕捉猎物，向日葵会随着太阳转动，变色龙可以根据周围环境变换颜色。这些奇妙的现象给科学家们带来了灵感，促使他们研究能对外界刺激做出反应的材料，也就是刺激响应性材料。

刺激响应性聚合物在外界条件变化时能展现出特殊功能，近年来备受关注。形状记忆聚合物（SMPs）是其中应用广泛的一种，它能随温度变化发生变形。不过，以往基于 SMPs 构建的功能聚合物存在一些问题。一方面，在功能添加方面，传统方法（如掺杂或后处理法）合成多刺激响应聚合物时，存在溶剂诱导机制、功能部分不均匀且难以量化、耐溶剂和耐热性差等缺点。另一方面，复杂功能聚合物的构建和设计一直是研究人员努力追求却尚未完全实现的目标 。为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。

研究人员成功设计并合成了一系列具有可逆光致变色和热致变色行为的新型 SMPs。借助数字光处理（DLP）3D 打印技术，制备出多种高分辨率（垂直方向约 20μm）的复杂 3D 结构。这些 3D 结构在光照和温度变化下，展现出显著的形状 - 颜色响应性、多色（超过 16 种颜色）可控性以及良好的重复性。更重要的是，研究人员设计并打印出形状 - 颜色可编程的 3D 结构，通过 RGB - HSV 转换和调用 OpenCV 库，有效解决了密码锁的安全问题。这项研究成果发表在《Research》上，为多功能光存储、软机器人、信息加密和仿生伪装等领域提供了新的策略，意义重大。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是 3D 打印技术，通过 DLP 3D 打印，将制备好的多刺激响应墨水层层堆叠，构建出复杂的 3D 结构。其次，利用光致变色和热致变色特性，研究人员将光致变色分子（4 - (2,2 - 双 (4 - 氟苯基) 乙烯基) 苄基甲基丙烯酸酯 [TrPEF₂ - MA, Tr]）和热致变色颜料（TPs）添加到 SMP 基质中，实现材料对光和温度的响应。此外，还运用了图像识别技术，借助 OpenCV 支持的颜色捕获程序，识别 3D 结构的颜色和状态，并与预定义的正确状态进行对比。

结果与讨论

1. 光致变色和热致变色性能研究：研究人员合成了 TrPEF₂ - MA，它在 365nm 紫外线照射下，会因三苯乙烯部分的可逆闭环反应，颜色从透明变为橙色。通过制备不同类型的树脂（Tr SMP、TP SMP 和 Tr - TP SMP）研究其光致变色和热致变色性能。Tr SMP 在紫外线 - 可见光照射下能实现两色切换，颜色可在透明和黄色间反复变化，且光致变色重复性良好。制备的 3 种 TP SMP（TP1、TP2、TP3）分别在不同温度下发生颜色变化，如 TP1 在低于 31°C 时为绿色，高于 31°C 时迅速变为透明。Tr - TP SMP 结合了两者特性，以 3D 雪花结构为例，在不同温度和紫外线照射条件下，能展现出丰富的颜色变化。
2. 形状记忆性能研究：为展示 Tr - TP SMP 的热和光响应形状记忆性能，研究人员设计并打印了埃菲尔铁塔模型。模型在外力作用下弯曲，加热至玻璃化转变温度（T_g，27.9°C）以上形成临时弯曲状态，温度降低撤销外力后能保持临时形状，再次加热又可恢复原始形状，且在变形过程中具有变色能力。通过打印样条计算形状固定率（R_f）和形状恢复率（R_r），证明该材料具有高形状记忆率、高形状恢复率和优良的形状记忆性能。
3. “心在盒中”（HiB）结构及加密应用研究：研究人员设计并打印了 “心在盒中”（HiB）3D 结构，它由 TP1 SMP 制成的可折叠翅膀和 Tr - TP2 SMP 制成的心脏组成。在温度和紫外线照射刺激下，HiB 能实现丰富的颜色和结构变化。基于此，研究人员提出一种基于颜色图像识别的加密方法，利用 HiB 特定部分的颜色和状态作为密钥，通过 OpenCV 支持的颜色捕获程序识别，与预定义的 HSV 值对比。这种加密方法极大地提高了安全性，破解密码的概率极低。

研究结论与意义

研究人员成功制备了具有多种优异性能的多刺激响应 3D 可打印材料和结构，并将其应用于信息加密领域。这些成果不仅为多刺激响应材料的设计提供了新的思路，还在信息保护、柔性电子、生物医学等多个领域展现出巨大的应用潜力。通过解决传统加密锁存在的问题，为信息加密技术的发展开辟了新的方向，有望推动相关领域的进一步创新和发展。