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中山大學(xué)蔣樂倫教授團(tuán)隊和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Carmel Majidi教授 Matter：磁控固-液相變材料
2023-02-02  來源：高分子科技

  微型機(jī)器在各個領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，例如藥物輸送、實驗室/芯片器官、和微電子學(xué)。與由光、電場、pH和其他刺激驅(qū)動的微型機(jī)器相比，可編程磁場驅(qū)動系統(tǒng)顯示出精確可控和無線操控的優(yōu)勢。最近，研究人員在提高磁控機(jī)器人的移動性、可控性和形態(tài)適應(yīng)性方面做了許多工作。一類常見的固態(tài)磁控軟體機(jī)器人由軟聚合物（如彈性體和水凝膠等）與嵌入的磁性顆粒組成，但是這些柔性磁控材料很難通過非常狹窄的空間。磁控液體機(jī)器人在狹窄空間表現(xiàn)出更大的形態(tài)適應(yīng)性，然而由于液體的低強(qiáng)度，磁控液體機(jī)器人負(fù)載能力有限。因此，開發(fā)固-液相可切換的可編程變形、多模態(tài)運動的磁控機(jī)器人具有重要意義。


圖1 磁控固-液相變材料液-固相變原理圖及應(yīng)用


  受到終結(jié)者液態(tài)金屬機(jī)器人和自然界中的海參的變剛度和固液切換特性，中山大學(xué)蔣樂倫教授團(tuán)隊、浙江大學(xué)潘程楓研究員、以及卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Carmel Majidi教授開發(fā)了一種磁控固-液相變材料，由嵌入液態(tài)金屬鎵中的磁性釹鐵硼微粒組成（如圖1）。該團(tuán)隊使用的液態(tài)金屬熔點大約30℃，略高于室溫。通過交變磁場可以無線的快速加熱該材料。室溫下，該材料可以重新冷卻凝固（如圖2a）。通過這種方式，該材料獨特地結(jié)合了固態(tài)材料的高機(jī)械強(qiáng)度（強(qiáng)度：21.2 MPa，剛度：1.98 GPa）、高負(fù)載能力（能夠負(fù)載10000倍）和快速運動能力（移動速度超過1.5 m/s）（如圖2c），和液態(tài)材料的優(yōu)異形態(tài)適應(yīng)性（例如伸長、分裂、合并）（如圖2d）。為了展示磁控固-液相變材料的獨特功能，演示了用于組裝修復(fù)電路和通用螺釘負(fù)載重物，以及用于模型胃中的清除異物和遞送藥物的過程。該工作以“Magnetoactive Liquid-Solid Phase Transitional Matter”為題發(fā)表在Cell姊妹刊《Matter》上。文章共同第一作者是中山大學(xué)大學(xué)博士生王清源和浙江大學(xué)研究員潘程楓。中山大學(xué)蔣樂倫教授和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Carmel Majidi教授為文章共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金委和廣東省自然科學(xué)基金委等的支持。 


圖2. 磁控固-液相變材料表征。(a) 在加熱和冷卻過程中，MPTM隨時間的溫度變化。插圖為對應(yīng)的紅外圖像。(b) 在固態(tài)和液態(tài)下MPTM的磁滯回線。(c) 在不同驅(qū)動速度下，MPTM的跟隨速度。(d) 不同體積的MPTM的變形能力(用a/b表示長徑比)



Video S1磁控機(jī)器人通過液化、穿過欄桿并使用放置在欄桿外的模具重新凝固來逃離牢籠



Video S2在封閉空間中，磁控機(jī)器人組裝修復(fù)電路和組裝零件（負(fù)載10 kg）

 


Video S3在液體環(huán)境中，機(jī)器人清除異物（綠色圓球）和釋放模型藥物的演示


  近兩年，蔣樂倫教授課題組致力于磁控機(jī)器人研究工作，提出了磁控折紙機(jī)器人 (Nat. Commun. 2022, 13, 4177)，4D打印仿生磁控軟體機(jī)器人( ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 4174)，自供能和自感知的仿蛞蝓磁控機(jī)器人(Nano Energy 2022, 99, 107367)，變剛度磁流變體磁控機(jī)器人( ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 30007)等。蔣樂倫教授課題組網(wǎng)站https://bme.sysu.edu.cn/bmejiangll/。浙江大學(xué)潘程楓研究員主要從事柔性電子材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計與成形制造技術(shù)的研究，包括柔性電子材料與設(shè)備，柔性電子皮膚，軟體機(jī)器人等。最近還參與了可逆性伸縮變形和按需運動的軟體機(jī)器人研究(Adv. Intell. Syst. 2022, 4, 2200080)。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Carmel Majidi教授致力于研究用于人機(jī)交互的機(jī)械和電子產(chǎn)品，特別是軟體機(jī)器人開發(fā)。Carmel Majidi教授課題組網(wǎng)站http://sml.me.cmu.edu/。


  原文鏈接： https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00693-2#%20

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