磁性材料也會“生長”了,！

（來源：受訪者）

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 6 月 19 日,，由俄亥俄州立大學(xué)軟智能材料實(shí)驗(yàn)室趙芮可教授、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)室齊航教授擔(dān)任共同通訊作者,，趙芮可團(tuán)隊(duì)博士生吳帥和博士后迮棄疾博士,、以及齊航團(tuán)隊(duì)的匡曉博士擔(dān)任共同一作的論文，發(fā)表在 Advanced Materials 上,，并成為當(dāng)期雜志的內(nèi)封,。

圖 | 趙芮可（來源：受訪者）

論文標(biāo)題為《磁性動態(tài)聚合物的模塊化組裝和可重構(gòu)變形》（Magnetic Dynamic Polymers for Modular Assembling and Reconfigurable Morphing Architectures）。

圖 | 當(dāng)期雜志內(nèi)封（來源：受訪者）

提及被選為內(nèi)封論文，趙芮可說最近幾年磁性軟材料是材料學(xué)的一個前沿,。該文章旨在通過提出新的熱,、磁結(jié)合響應(yīng)的軟材料體系實(shí)現(xiàn) “原位再編程變形以及重構(gòu)”，來解決傳統(tǒng)磁驅(qū)軟材料其永久形狀和磁化分布在材料制備后無法再次改變的問題,。

圖 | 相關(guān)論文（來源：受訪者）

為解決該難題,，她和團(tuán)隊(duì)結(jié)合了動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高分子和硬磁顆粒，首次研發(fā)出一種新型磁性動態(tài)高分子復(fù)合材料,，該材料可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)加工和重構(gòu),、磁化分布重編輯、以及磁驅(qū)軟材料模塊化熔焊組裝,，其中磁驅(qū)軟材料還能被遠(yuǎn)程控制。

圖 | 磁驅(qū)動態(tài)高分復(fù)合材料的工作機(jī)理與功能示意圖（來源：受訪者）

據(jù)她介紹,，該材料具備遠(yuǎn)程控制和響應(yīng)的機(jī)制,，實(shí)現(xiàn)無線驅(qū)動的形態(tài)變化。通過將驅(qū)動力與驅(qū)動材料分開,，小尺寸的功能化材料成為了可能,。

（來源：受訪者）

如此就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制復(fù)雜材料的變形和運(yùn)動，這種材料一般用于做小型軟體機(jī)器人,，尤其可以用于醫(yī)療領(lǐng)域中的微創(chuàng)和無創(chuàng)操作,。

以做手術(shù)為例，當(dāng)前大多需要開刀,。通過結(jié)合對傳統(tǒng)外科手術(shù)的學(xué)習(xí),，結(jié)合前沿的磁性材料的軟體機(jī)器人，未來可實(shí)現(xiàn)直接以遠(yuǎn)程微創(chuàng)甚至無創(chuàng)的形式在人體內(nèi)做手術(shù),。

（來源：受訪者）

關(guān)于動態(tài)高分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),、與硬磁顆粒相結(jié)合的具體過程，她告訴 DeepTech,，微米級的硬磁顆粒,，其實(shí)就是微米級別的小磁鐵，它們在和軟性高分子材料混合后進(jìn)行交聯(lián),。該材料在加熱后,，在微觀下的高分子鏈可以一定程度的斷開并重新連接，通過此方式實(shí)現(xiàn)宏觀的焊接和可編程重構(gòu)等多個功能,。

圖 | 基于磁輔助永久三維形狀重構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)（來源：受訪者）

事實(shí)上,，任何一個三維結(jié)合體，都可從二維的形狀開始,，用彈性形變的方式來發(fā)生初始形態(tài)變化從而形成三維體,，而該工作可以進(jìn)一步通過動態(tài)的高分子鏈重組將彈性變形的三維體固定下來。

說到這里趙芮可舉例稱，設(shè)想一根用該材料制作的皮筋,，在常溫下具有皮筋的一切彈性形變能力?，F(xiàn)在將其撐開，對其加熱,、然后再進(jìn)行降溫,，這時(shí)皮筋變長了，留在變形后的形狀,，而且仍然是可以彈性變形的軟材料,。

首次實(shí)現(xiàn)利用重塑二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)加工

關(guān)于該研究的獨(dú)到之處，趙芮可說其團(tuán)隊(duì)一直研究磁性材料,，齊航團(tuán)隊(duì)則在基底材料上有著豐富經(jīng)驗(yàn),。

此前在磁性材料領(lǐng)域，尚無材料可實(shí)現(xiàn)無縫焊接,，也沒有材料可通過加熱和加磁場的結(jié)合,，來實(shí)現(xiàn)多功能的集成。

而該工作提出一種加工復(fù)雜的三維軟結(jié)構(gòu)的方式,，也就是利用材料加工的特性,，把其當(dāng)成一種加工方式，這在之前是沒有的,。

（來源：受訪者）

之前的磁性材料,，在添加磁場后的確可出現(xiàn)變形，但把磁場撤掉后,，材料外形就會恢復(fù)原狀,。

而該團(tuán)隊(duì)通過磁場和熱場的耦合，一是可讓材料變形,，二是可讓材料產(chǎn)生不同的穩(wěn)定形狀,。

研究中，他們制備出一種平面剪紙結(jié)構(gòu),，先給其加上磁場驅(qū)動,，然后再通過光照對其進(jìn)行加熱，這時(shí)材料內(nèi)應(yīng)力就會逐漸釋放,，并可重構(gòu)成為力學(xué)多穩(wěn)態(tài)的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu),，且能用于三維結(jié)構(gòu)之間的永久形狀改變。

動圖 | 實(shí)現(xiàn)力學(xué)單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)向雙穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變（來源：受訪者）

針對不同的平面剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，在對其進(jìn)行永久形狀重構(gòu)后,，該團(tuán)隊(duì)分別實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)向雙穩(wěn)態(tài)、以及四重穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,。

動圖 | 四重穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變（來源：受訪者）

實(shí)現(xiàn)磁驅(qū)軟材料磁化分布原位再編程

趙芮可表示,，在小的外磁場下,，內(nèi)部磁顆粒會發(fā)生快速的物理旋轉(zhuǎn)。在降溫后,，新形成的動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)會鎖定內(nèi)部磁顆粒的磁化方向,。

此時(shí)，借助圖案化紅外光,、對材料進(jìn)行加熱,，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜磁化再編程，而且是可反復(fù)進(jìn)行的磁化編程,。

具體來說,，材料加熱到 120 °C 左右時(shí)，動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)打開,，材料粘度降低,，等于變成蜂蜜狀的粘稠半液體狀態(tài)。

如下圖 c,，白色箭頭便是磁化方向,，這些方向由圖 a 中的紅藍(lán)色微粒決定，每一顆微粒代表著對應(yīng)的硬磁顆粒,，每一個白色箭頭代表著磁化的方向。

圖 | 磁性動態(tài)高分子復(fù)合材料磁化分布原位編程（來源：受訪者）

在材料變?yōu)檎吵戆胍后w狀態(tài)后,，硬磁顆粒就能在基底中自由旋轉(zhuǎn),。即增加外界磁場，即可調(diào)整微粒的指向,，這也正是原位編程的概念,。

動圖 | 不同的變形之一（來源：受訪者）

具體步驟是通過加熱和加磁場，來實(shí)現(xiàn)對每個模塊磁化方向的任意轉(zhuǎn)變,，從而通過遠(yuǎn)程編程法,，來實(shí)現(xiàn)磁化分布的改變，讓材料在同樣磁場下實(shí)現(xiàn)不同的變形,，不同變形代表著不同的功能,。

動圖 | 不同的變形之二（來源：受訪者）

實(shí)現(xiàn)磁驅(qū)材料形狀與驅(qū)動模式的高度定制化與可編程化

通過遠(yuǎn)程控制模塊導(dǎo)航與組裝，并集成形狀與磁化的重構(gòu)功能,，該團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了磁驅(qū)材料形狀與驅(qū)動模式的高度定制化與可編程化,。

利用三維磁場操控模塊的翻滾和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可對不同模塊的組裝進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,。此外,，利用激光還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程焊接，進(jìn)而可獲得復(fù)雜的磁驅(qū)組裝結(jié)構(gòu),。

圖 | 磁力驅(qū)動模塊的遠(yuǎn)程導(dǎo)航組裝與多功能集成原位重構(gòu)（來源：受訪者）

其中,，還可實(shí)現(xiàn)對同一結(jié)構(gòu)的重構(gòu)磁化分布和永久變形，這樣一來結(jié)構(gòu)的驅(qū)動模式和功能也會被改變。

這樣的好處在于,，假如讓材料到受限制空間中運(yùn)動,，往往無法讓大物體進(jìn)入狹窄空間，但可以讓各種模塊,，在遠(yuǎn)程磁場的趨勢下,，像變形金剛一樣自己組成功性能軟體機(jī)器人。

動圖 | 磁體組成軟體機(jī)器人（來源：受訪者）

利用磁性 “邏輯單元” 設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的磁輔助模塊化組裝和熔焊

關(guān)于該研究實(shí)現(xiàn)的磁驅(qū)軟材料模塊化熔焊組裝功能,，趙芮可說，首先是讓小方塊借助磁力拼接起來,，但是假如它們之間連接的部分沒有固定,，就會散掉。