基于磁彈性體的可變形軟體材料可用于微流控、軟體機器人領域

軟材料中的動態(tài)拓撲轉(zhuǎn)換，例如，在不同的屈曲或褶皺狀態(tài)之間切換，通常會帶來特殊的聲學、力學特性，并且在自然界生物的生命行為中起著重要作用。為了使可變形結(jié)構實現(xiàn)可控拓撲變換，研究人員開發(fā)了基于化學溶劑、溫度、pH和光的控制策略。然而，目前報道的調(diào)節(jié)方法大多基于軟材料的準靜態(tài)調(diào)制，開發(fā)一種高度可控的動態(tài)調(diào)控策略十分具有挑戰(zhàn)。這一策略可為跨尺度形態(tài)調(diào)節(jié)和多模態(tài)各向異性變形提供研究手段，有助于揭示自然界中復雜的動態(tài)變換機制，并進一步拓展可變形結(jié)構與軟材料在工程領域的應用。

近期，香港中文大學機械與自動化工程學系張立教授團隊與哈爾濱工業(yè)大學（深圳）金東東副教授聯(lián)合香港城市大學張甲晨教授、中國科學技術大學王柳教授展示了基于磁彈性體的可變形軟體材料，其具有由屈曲不穩(wěn)定性編碼的三維異質(zhì)磁疇分布，用于實現(xiàn)軟材料結(jié)構的動態(tài)調(diào)節(jié)和多模態(tài)各向異性形貌變換。所提出的策略以無模板方式形成具有三維磁疇分布的磁響應材料，在微流控、顆粒操控、軟體機器人等領域中具有廣闊的前景。相關研究成果以 “Dynamic morphological transformations in soft architected materials via buckling instability encoded heterogeneous magnetization” 為題發(fā)表于國際著名期刊Nature Communications上。

圖1 磁彈性體的動態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖

3D可變形結(jié)構由摻雜鐵磁性顆粒的有機硅彈性體制成，如圖1所示。磁性彈性體通過吸收各種有機溶劑（例如甲苯、乙酸乙酯和正己烷）而使它們擴散到彈性體網(wǎng)絡中，從而引起自身結(jié)構的膨脹。當制備的磁性彈性體一端附著于親水玻璃基板上并浸入到甲苯時，彈性體結(jié)構的溶脹行為因受到基板約束的影響，自發(fā)形成的軸向壓縮力會使其產(chǎn)生屈曲變形。屈曲狀態(tài)的形貌可以通過彈性體的幾何參數(shù)、溶劑的吸收率、人工缺陷、連接類型等因素進行調(diào)整。對屈曲變形的磁性彈性體施加強脈沖磁場磁化，再浸泡于乙醇中收縮恢復至未變形狀態(tài)，便可在磁彈性體中實現(xiàn)各向異性的三維磁疇分布。此時，在外加磁場的驅(qū)動下，基于磁彈性體的條帶結(jié)構和晶格結(jié)構可以產(chǎn)生跨尺度與多模態(tài)的動態(tài)形變。

圖2 連接類型的影響和晶格結(jié)構的幾何變換：（a）不同邊界類型對屈曲構型的影響；（b）磁刺激下波數(shù)（Wn）、屈曲結(jié)構的振幅和幾何參數(shù)（L/H）之間的定量關系；（c）磁刺激下變形結(jié)果的幅度與邊界角（α）之間的定量關系；（d）方形晶格結(jié)構的變換；（e-f）六角晶格和交錯晶格的變換；（g-h）具有人工缺陷的方形和三角形晶格的變換

這種基于屈曲不穩(wěn)定性的磁編程方式無需模板輔助，可用于快速實現(xiàn)具有可編碼異質(zhì)磁化分布的軟材料結(jié)構。結(jié)合強度、方向以及梯度可控的外加驅(qū)動磁場，能夠?qū)崿F(xiàn)遠超準靜態(tài)調(diào)控的多模態(tài)各向異性拓撲變換行為。為了闡明其調(diào)節(jié)機制，研究人員還開發(fā)了相應的理論模型與有限元模型，系統(tǒng)地研究了非獨立軟材料結(jié)構的溶劑和磁響應行為，與實驗結(jié)果高度吻合。

最后，研究人員通過對驅(qū)動磁場的調(diào)制，使磁性彈性體發(fā)生動態(tài)形貌重構，從而產(chǎn)生包括定向流體、混合流體和渦流在內(nèi)的一系列可控流體行為，并展示了其在流體操作、顆粒篩選、生物檢測、軟體機器人等領域的應用價值。

圖3 結(jié)構動態(tài)變換產(chǎn)生的動態(tài)流場：（a-b）條帶結(jié)構在不同磁場強度和旋轉(zhuǎn)方向下誘導的流場；（c）由兩個具有對稱形狀變形結(jié)果的條帶結(jié)構引起的流場；（d-e）演示了利用多個條帶結(jié)構產(chǎn)生的動態(tài)流場進行液滴操縱

圖4 磁性彈性體轉(zhuǎn)變的示例性應用：（a）原位顆粒操縱的示意圖和演示；（b）用于靈敏度增強的生物醫(yī)學分析的氣溶膠液滴收集；（c）使用磁彈性體的動態(tài)轉(zhuǎn)換在低雷諾數(shù)下進行流體混合；（d）由磁彈性體的動態(tài)幾何變換驅(qū)動的無線游泳機器人

綜上所述，香港中文大學張立教授團隊與哈爾濱工業(yè)大學（深圳）金東東副教授提出了一種新型的磁編程策略，以實現(xiàn)軟材料的動態(tài)形態(tài)變換和多模式各向異性轉(zhuǎn)變。利用屈曲不穩(wěn)定現(xiàn)象的磁化編程方式，為今后發(fā)展可控三維磁疇分布的磁性軟材料提供了一種簡易有效的新方法。

這項研究得到香港研究資助局（RGC）、香港創(chuàng)新科技署（ITC）、中大天石機器人研究所、中大信興高等工程研究所、中大-中國科學院深圳先進技術研究院機器人與智能系統(tǒng)聯(lián)合實驗室、創(chuàng)新香港研發(fā)平臺（InnoHK）的醫(yī)療機器人創(chuàng)新技術中心（MRC）的支持。該工作得到香港城市大學張甲晨教授、中國科學技術大學王柳教授的大力合作和幫助。

審核編輯：郭婷