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  水凝膠的形狀控制在仿生學(xué)，軟機(jī)器和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。磁場因其具有遠(yuǎn)程遙控、局部驅(qū)動和生物相容的特性，在多種場合有著不可替代的用途。然而現(xiàn)有的磁驅(qū)動軟結(jié)構(gòu)多為磁彈性體而非磁凝膠，因?yàn)榇拍z的磁化強(qiáng)度太低，難以在靜態(tài)磁場下發(fā)生復(fù)雜變形。

  西安交通大學(xué)軟機(jī)器實(shí)驗(yàn)室研究人員，提出一種新的策略來實(shí)現(xiàn)磁凝膠的形狀控制（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019）。制備同時對磁場與溫度敏感的磁性聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠（PNIPAm），磁凝膠在動態(tài)磁場下具有磁熱效應(yīng)，當(dāng)溫度上升到臨界溫度之后，磁凝膠發(fā)生體積變形。通過磁凝膠-彈性體的雙層梁設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的彎曲；發(fā)現(xiàn)曲率在臨界溫度附件急劇變化。

圖1 運(yùn)用磁熱效應(yīng)控制磁凝膠形狀變化的原理

  為了探究該變形機(jī)制的影響參數(shù)，作者改變磁場強(qiáng)度，雙層梁的厚度比，磁性粒子含量，發(fā)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)在溫度-曲率圖中重疊在一起，意味著所有雙層梁的曲率都會在某一臨界溫度下發(fā)生急劇的增長。這一臨界溫度約為34 °C，與PNIPAm水凝膠的LCST接近，說明該磁凝膠的變形實(shí)質(zhì)上是由溫度決定的。

圖2 影響磁凝膠形狀變化的基本參數(shù)

  通過設(shè)計磁凝膠在彈性體基底上的分布形式，作者展示了各種各樣的二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)；并且利用日常生活中的“鉸鏈”的概念，實(shí)現(xiàn)了簡單的折紙結(jié)構(gòu)。

圖3 動態(tài)磁場驅(qū)動的二維、三維和折紙結(jié)構(gòu)

  最后，綜合利用靜態(tài)磁場和動態(tài)磁場，實(shí)現(xiàn)了磁導(dǎo)航和磁變形。

圖4 磁導(dǎo)航和磁變形

  該研究工作發(fā)表于ACS Appl. Mater. Interfaces。西安交通大學(xué)青年教師唐敬達(dá)為第一作者，王鐵軍教授為通訊作者。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.9b05742