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  自形變軟材料（self-morphing soft materials）是一種具有感知外部環(huán)境刺激（例如光，熱，電場，磁場等）并能做出相應(yīng)形狀變換的智能復(fù)合材料。這類材料在軟體機(jī)器人，柔性電子器件，仿生傳感器以及超材料等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。為實(shí)現(xiàn)材料的可控形變，在材料的制備過程中需要對材料內(nèi)部的各向異性結(jié)構(gòu)（anisotropic structures）進(jìn)行編碼（programming）。例如在材料內(nèi)部編碼可控的高分子交聯(lián)梯度，溶劑梯度，晶相梯度以及納米纖維陣列等。但是，這些程序化的各向異性結(jié)構(gòu)在被編碼后是固定不變的，導(dǎo)致這些材料在確定的外部刺激下僅能實(shí)現(xiàn)單個形變模式，限制了這些材料更為廣泛的應(yīng)用。

圖 1

  近日，密蘇里大學(xué)林見教授課題組報道了一種可通過激光直寫（Direct laser writing）進(jìn)行重新編程（reprogramming）的磁性自形變復(fù)合軟材料。研究人員首先將磁性釹鐵硼（NdFeB）粒子包埋于相變高分子聚己內(nèi)酯（PCL）之中，得到NdFeB@PCL復(fù)合微粒。然后將該磁性復(fù)合微粒加入到硅橡膠（silicone rubber）基體中形成磁性復(fù)合軟材料 （圖1a）。在室溫下，NdFeB粒子被“凍結(jié)”在PCL基體中，不能在外界編程磁場（programming magnetic field）下自由轉(zhuǎn)動；通過520 nm激光直寫后（圖1b），復(fù)合材料被局部加熱，其中的PCL組分會被融化為液體，此時，NdFeB粒子處于“解凍”狀態(tài)，能在外界編程磁場下自由轉(zhuǎn)動從而形成的局部磁疇（圖1c）。當(dāng)復(fù)合材料冷卻后，形成的局部磁疇能臨時保存下來。通過協(xié)同控制激光直寫路徑與變換編程磁場方向，復(fù)合材料的不同區(qū)域?qū)⑿纬刹煌木植看女�，從而得到可編程的磁各向異性（magnetic anisotropy），并用于引導(dǎo)復(fù)合材料在外界磁場下的可控磁驅(qū)動形變。由于PCL的相轉(zhuǎn)變過程是完全可逆的，當(dāng)材料被再次施加激光熱處理后，NdFeB粒子能被重新“解凍”，重新編程，進(jìn)而形成新的磁各向異性（圖1d）。當(dāng)復(fù)合材料被賦予不同的磁各向異性時，該材料能在相同的外界磁場下實(shí)現(xiàn)不同的形變模式（圖1e）。

圖 2

  如上圖所示，研究人員可在同一磁性復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)不同的磁各向異性編碼，使得該磁性復(fù)合材料能在同一外界磁場刺激下產(chǎn)生不同的可控形變。圖為形變后的三維機(jī)構(gòu)實(shí)物照片與有限元模擬結(jié)果。

圖 3

  利用該磁性復(fù)合材料的特性，該團(tuán)隊(duì)展示了一系列有趣的應(yīng)用，包括可重構(gòu)磁驅(qū)動機(jī)械屈曲組裝（mechanical buckling assembly），可重構(gòu)多模態(tài)開關(guān)，以及可重構(gòu)磁驅(qū)動軟體機(jī)器人。如上圖所示，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種剪紙（kirigami）磁性薄片，在該薄片上可多次重寫編碼不同的磁各向異性，從而使得該磁性薄片在動態(tài)外界磁場下能夠分別模擬蚯蚓（圖3a），尺蠖（圖3b）和球潮蟲（圖3c）的運(yùn)動模式。

  此項(xiàng)研究提供了一種新思路用于制備和編碼可重構(gòu)的自形變復(fù)合材料。該研究對可形變材料的研發(fā)有著重要的啟示作用，同時也將推動磁性高分子復(fù)合材料在柔性機(jī)器人，傳感器、人工肌肉, 人體微機(jī)器人等領(lǐng)域的重要應(yīng)用。該研究日前以題為“Laser Reprogramming Magnetic Anisotropy in Soft Composites for Reconfigurable 3D Shaping”發(fā)表在國際知名期刊Nature communications上。論文第一作者為鄧恒博士，論文通訊作者為密蘇里大學(xué)林見教授。

  文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20229-6