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皮肤、软骨和肌腱等天然材料具有足够的韧性，可以支撑我们的身体重量和运动，同时又具有足够的弹性，不容易破裂。虽然我们认为这些特性是理所当然的，但要在合成材料中复制这种独特的组合却比听起来要难得多。现在，洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家们已经开发出了一种新的方法，可以制造出更接近自然界材料的坚固、柔软的复合聚合物，研究成果发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上，可应用于软体机器人和软骨假肢植入物等领域。
通常情况下，合成水凝胶可分为两种截然不同的材料类别。第一类包括窗户玻璃和一些聚合物，它们坚硬且承重，但众所周知，吸收能量的能力很差：即使是最轻微的裂缝也会在结构中蔓延。第二类材料的抗裂能力较强，但通常这类材料非常柔软，无法承受重荷。然而，一些由生物材料和蛋白质（包括胶原蛋白）组合而成的天然复合材料既坚固又抗裂。它们的这些特性归功于它们从纳米到毫米尺度的高度精密的结构：例如，编织纤维被组织成更大的结构，而这些结构又排列成其他结构。
"我们距离能够在这么多不同的尺度上控制合成材料的结构还有很长的路要走，"EPFL软材料实验室的助理教授、论文的主要作者Esther Amstad说。然而，Matteo Hirsch和Alvaro Charlet这两位在Amstad指导下工作的博士助理，从自然界中汲取灵感，设计出了一种构建合成复合材料的新方法。"在自然界中，基本的构件被封装在隔间中，然后以高度本地化的方式释放，"Amstad解释说。"这个过程为材料的最终结构和局部组成提供了更好的控制。我们采取了类似的方法，将积木排列成隔间，然后将它们组装成上层建筑。"
首先，科学家们将单体封装在水油乳液的液滴中，作为隔间。在液滴内部，单体结合在一起，形成一个聚合物网络。此时，微粒子是稳定的，但它们之间的相互作用很弱，这意味着材料不能很好地结合在一起。接下来，像海绵一样具有高度多孔性的微粒子被浸泡在另一种类型的单体中，然后材料被还原成一种糊状。正如Alvaro Charlet所说，它的外观 "有点像可以做成沙堡的湿沙"。
然后，科学家们将糊状物进行了三维打印，并将其暴露在紫外线辐射下。这使得在第二步添加的单体发生聚合。这些新的聚合物与之前形成的聚合物交织在一起，从而使浆料变硬。这就形成了一种异常坚固、耐磨的材料。研究小组表明，一根直径只有3毫米的管子可以承受高达10公斤的拉伸载荷和高达80公斤的压缩载荷，而其结构完整性却没有受到破坏。
他们的发现在软体机器人领域有潜在的用途，因为在这个领域，模仿活体组织特性的材料非常热门。这一突破性的过程还可以应用于开发软骨假体植入物的生物相容性材料。
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