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  形狀可編程軟材料（Shape-programmable soft materials）是指具有感知環(huán)境激勵(lì)（光、溫度、濕度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）能力并做出形變響應(yīng)的一系列智能復(fù)合軟材料，他們通常具有遠(yuǎn)程控制、快速可逆形變、形狀記憶、可重構(gòu)變形中的一種或者幾種特性。由于具有和生物體應(yīng)激響應(yīng)類似的特點(diǎn)并克服了傳統(tǒng)堅(jiān)硬的機(jī)械變形機(jī)構(gòu)的缺陷，形狀可編程軟材料在軟體機(jī)器人、軟驅(qū)動(dòng)器、可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。常見的形狀可編程軟材料包括液晶彈性體、介電彈性體、水凝膠、形狀記憶高分子等， 但他們都具有各自的局限性，目前為止還沒有一種材料可以集成以上提到的所有形變特性。其主要挑戰(zhàn)來自于其中的一些特性是互相對(duì)立的，比如形狀記憶要求材料在被記憶的變形狀態(tài)下具有很大的剛度，但這同時(shí)又會(huì)對(duì)形變的速度產(chǎn)生極大的限制。

(Photo cred.: PhD student Shuai Wu, The Ohio State University)

  近期，俄亥俄州立大學(xué)趙芮可教授團(tuán)隊(duì)和佐治亞理工學(xué)院齊航教授團(tuán)隊(duì)首次研發(fā)出了一種新型的集遠(yuǎn)程快速可逆驅(qū)動(dòng)、形狀記憶和可重構(gòu)變形等特性于一體的磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料（Magnetic shape memory polymer, M-SMP），研究成果以“Magnetic Shape Memory Polymer with Integrated Multifunctional Shape Manipulations”為題在線發(fā)表于Advanced Materials上。

  磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料將微米級(jí)四氧化三鐵（Fe₃O₄）和釹鐵硼（NdFeB）顆粒加入基于聚丙烯酸酯的形狀記憶高分子（SMP）基體中（圖一）,材料基底提供了剛度可調(diào)的特性，材料的楊氏模量在玻璃轉(zhuǎn)化溫度上下會(huì)發(fā)生劇烈變化，在25℃到85℃區(qū)間內(nèi)可以從3GPa變化為2MPa，為材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)低溫形狀記憶和高溫快速驅(qū)動(dòng)提供了可能； 四氧化三鐵顆粒在高頻磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生很高的磁滯損耗，被用于遠(yuǎn)程加熱材料；釹鐵硼顆粒具有高剩磁和磁化特性可編輯的特點(diǎn)，在外部低頻或者直流磁場(chǎng)的作用下可以使材料產(chǎn)生可重構(gòu)的快速可逆變形。

圖一：M-SMP磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料的組成和原理示意圖。

  材料的原理特性可以通過視頻一中展示的懸臂梁結(jié)構(gòu)得到更直觀的了解，當(dāng)材料溫度在室溫左右時(shí)，材料的剛度很大，無法被磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)；而當(dāng)溫度逐漸提高，材料的剛度逐漸降低，在同樣磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，變形量逐漸增大；當(dāng)停止加熱并保持住驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，材料的剛度隨著材料的冷卻又逐漸提高，當(dāng)材料降到室溫時(shí)，此時(shí)再撤去驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，材料可以保持住之前的形變。

  利用M-SMP材料的特性，該團(tuán)隊(duì)展示了一系列有趣的應(yīng)用，包括可以抓取重物的軟抓手（ 載重比1113），可重構(gòu)天線，仿生花開放以及時(shí)序邏輯電路。

  軟抓手由于材料可以有無限自由度的變形，可以自由適應(yīng)被抓物體的形狀，但由于材料本身剛度較低，載重比會(huì)被嚴(yán)重限制。而由M-SMP磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料制成的軟抓手可以完美的克服這個(gè)缺陷，如圖二和視頻二所示，當(dāng)溫度較高時(shí)，抓手無法提起遠(yuǎn)重于抓手重量的鉛球，而當(dāng)抓手被降至室溫后，材料的模量提升了三個(gè)數(shù)量級(jí)，可以輕易提升起鉛球。

圖二：高載重比軟抓手。（a）抓手設(shè)計(jì)和磁化方向；（b）在高溫狀態(tài)下，抓手無法抓取鉛球；（c）在低溫狀態(tài)下，抓手可以抓起遠(yuǎn)重于自身重量的鉛球

  M-SMP可重構(gòu)天線可以通過改變天線的形狀重構(gòu)天線的諧振頻率、工作帶寬和輻射特性等，利用M-SMP磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料形變和形狀記憶特性，天線可以非常靈活的改變形狀并在不耗費(fèi)任何能量的情況下保持住新的形狀（圖三）。

圖三：M-SMP可重構(gòu)天線。（a）天線設(shè)計(jì)和磁化方向；（b）通過控制磁場(chǎng)來控制天線的形變；（c）天線的頻率特性圖；（d）天線的輻射特性圖

  由于M-SMP材料是通過Fe₃O₄顆粒對(duì)磁場(chǎng)的感應(yīng)加熱的，通過改變Fe₃O₄的含量可以實(shí)現(xiàn)加熱速率的不同，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)（具體內(nèi)容見文章）�；跁r(shí)序驅(qū)動(dòng)的原理，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并展示了一朵仿生花的逐層開放過程，M-SMP仿生花由三層花瓣組成，最外層花瓣具有最高的Fe₃O₄含量，最內(nèi)層花瓣具有最低的Fe₃O₄含量，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的仿生花與實(shí)際花具有十分相似的盛開效果（視頻三）。

  除了對(duì)外界激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)的特性外，智能軟材料還具有潛在的集成驅(qū)動(dòng)和計(jì)算的能力，目前已經(jīng)有一些研究者嘗試通過軟材料實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)或數(shù)字邏輯電路功能的研究。M-SMP磁驅(qū)形狀記憶高分子可以被用來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路的一個(gè)基本器件D鎖存器（圖四a-c）�？紤]驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)作為一個(gè)D鎖存器的控制信號(hào)，加熱磁場(chǎng)用來控制D鎖存器的使能信號(hào)，當(dāng)材料溫度大于玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，材料變軟可以被外界磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)變形，認(rèn)為使能信號(hào)為1，反之材料模量很高無法被磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，認(rèn)為使能信號(hào)為0，通過合理控制加熱磁場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)信息的寫入和存儲(chǔ)。進(jìn)一步結(jié)合時(shí)序驅(qū)動(dòng)的原理，一個(gè)包含3個(gè)LED的電路被用來展示一個(gè)3位寄存器的功能（圖四d-f和視頻四），通過控制兩種磁場(chǎng)的輸入可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)LED的8種開斷狀態(tài)的任意切換和3位數(shù)字信息的存儲(chǔ)，該功能還可以很方便的擴(kuò)展到任意多位的存儲(chǔ)器。

圖四：基于M-SMP磁驅(qū)形狀記憶高分子的D鎖存器。（a）D鎖存器真值表；（b）原理示意圖；（c）溫度與使能信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系；（d）3D打印電路；（e）時(shí)序邏輯電路的磁場(chǎng)控制示意圖；（f）通過LED展示的時(shí)序邏輯電路效果圖（具體內(nèi)容見文章）

  該工作首次提出的磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料通過分別利用兩種磁性粒子用來加熱和驅(qū)動(dòng)，將遠(yuǎn)程快速可逆驅(qū)動(dòng)、形狀記憶和可重構(gòu)變形等特性創(chuàng)造性的集成于一種材料體系中，展示了在包括軟抓手、可重構(gòu)天線、時(shí)序驅(qū)動(dòng)設(shè)備、數(shù)字邏輯電路等應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，隨著先進(jìn)仿真優(yōu)化工具和3D/4D打印等先進(jìn)加工技術(shù)的發(fā)展，磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料將在包括生物醫(yī)療器件、主動(dòng)超材料、可重構(gòu)柔性電子、智能軟體機(jī)器人等領(lǐng)域提供了新的發(fā)展機(jī)遇。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906657

團(tuán)隊(duì)介紹

  該工作由俄亥俄州立大學(xué)軟智能材料實(shí)驗(yàn)室（Soft Intelligent Materials Laboratory，鏈接: http://zhaor.engineering.osu.edu）和佐治亞理工學(xué)院軟機(jī)敏材料力學(xué)和3D打印實(shí)驗(yàn)室（Laboratory for Mechanics of Soft Active Materials and 3D Printing，鏈接: http://www.msm.gatech.edu/jerrys-page）共同完成。該工作的通訊作者為趙芮可教授和齊航教授，共同第一作者為俄亥俄州立大學(xué)博士后迮棄疾博士，佐治亞理工學(xué)院博士后匡曉博士， 以及俄亥俄州立大學(xué)博士生吳帥。文章的其他作者包括俄亥俄州立大學(xué)的張潤(rùn)東，佐治亞理工學(xué)院的Janet Wong, S. Macrae Montgomery。

招生信息

The Soft Intelligent Materials Laboratory (https://zhaor.engineering.osu.edu/) directed by Prof. Ruike Zhao is recruiting highly-motivated applicants to fill one Ph.D. position in either Fall 2020 or Spring 2021 at The Ohio State University in Mechanical Engineering.

Candidate should have a degree in solid mechanics, mechanical, materials, or other related engineering fields at the time of enrollment. A strong background in solid mechanics, finite element analysis, material synthesis, and/or advanced manufacturing is desired. Candidates with master’s degree are preferred.

If interested, contact Prof. Ruike Zhao directly at zhao.2885@osu.edu. Please include your CV along with an academic transcript, a brief description of prior research experiences and how your interests align with one of the following topics, (1) Design and fabrication of functional soft composites, (2) Mechanics-guided material design. Shortlisted candidates will be contacted for an interview.