天然材料(例如皮肤，软骨和肌腱)足够坚硬，足以支撑我们的体重和运动，但又具有足够的柔韧性，以至于它们不易破裂。尽管我们认为这些属性是理所当然的，但要在合成材料中复制这种独特的组合比听起来要难得多。现在，EPFL的科学家们已经开发出一种新的方法来制造坚固，柔软的复合聚合物，这种聚合物可以更接近自然界中发现的材料。在先进功能材料中发表的一篇论文中描述了它们的突破，可以在诸如软机器人和软骨假体植入物等领域中得到应用。

通常，合成水凝胶分为两种非常不同的材料类别。第一种类型，包括窗户玻璃和一些聚合物，坚硬且承重，但吸收能量却很差：即使是最细微的裂纹也可能扩散到整个结构中。第二组中的材料具有更好的抗裂性，但要权衡：它们非常柔软-实际上如此柔软，以至于它们无法承受重负荷。然而，由生物材料和蛋白质(包括胶原蛋白)组合而成的某些天然复合材料既坚固又抗裂。他们将这些特性归功于从纳米级到毫米级的高度精确的结构：例如，织造纤维被组织成更大的结构，然后依次排列以形成其他结构，依此类推。

该论文的主要作者，EPFL软材料实验室的助理教授埃丝特·阿姆斯塔德(Esther Amstad)说：“距离能够控制这么多不同规模的合成材料的结构还有很长的路要走。” 然而，在Amstad的指导下工作的两位博士助理Matteo Hirsch和Alvaro Charlet，已经从自然界的线索中汲取了灵感，设计出了一种新的方法来制造合成复合材料。Amstad解释说：“自然界中，基本的构建基块被封装在隔间中，然后以高度本地化的方式发布。” “此过程可更好地控制材料的最终结构和局部成分。我们采用了类似的方法，

首先，科学家将单体封装在水油乳液的小滴中，用作隔室。在液滴内部，单体结合在一起形成聚合物网络。在这一点上，微粒是稳定的，但它们之间的相互作用较弱，这意味着该材料不能很好地保持在一起。接下来，在将材料还原形成一种糊剂之前，将高度多孔的微粒(如海绵)浸入另一种类型的单体中。正如阿尔瓦罗·查莱特(Alvaro Charlet)所说，它的外观“有点像湿沙，可以塑造成沙堡”。

然后，科学家对糊状物进行了3D打印，然后将其暴露在紫外线辐射下。这导致在第二步骤中添加的单体聚合。这些新聚合物与过程中较早形成的聚合物交织在一起，从而使糊状物硬化。这产生了一种非常坚固，耐磨的材料。研究团队表明，直径仅为3 mm的管子可以承受高达10 kg的拉伸载荷和高达80 kg的压缩载荷，而不会破坏其结构完整性。

他们的发现在软机器人中具有潜在的用途，在这种机器人中，模仿活体组织特性的材料倍受追捧。开创性的工艺还可以用于开发软骨修复植入物的生物相容性材料。