在柔性電子、生物醫(yī)療和智能制造等領(lǐng)域，對具備響應(yīng)性、可編程性與可重構(gòu)性的材料需求日益增長。磁性軟材料因其對磁場的快速響應(yīng)和結(jié)構(gòu)靈活性，成為構(gòu)建智能系統(tǒng)的理想候選。然而，實現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)與磁性行為的同步編程仍面臨工藝與功能集成的雙重挑戰(zhàn)。荷蘭格羅寧根大學(xué)醫(yī)學(xué)中心 (UMCG) 與特文特大學(xué)的研究團(tuán)隊在《Cell Reports Physical Science》上發(fā)表了一項題為Fluidic control programming for 3D magnetic soft metamaterials with reconfigurable mechanical behaviors的研究，通過流體控制技術(shù)成功實現(xiàn)了對3D磁性軟超材料（MSM）進(jìn)行磁化編程，使其力學(xué)性能在不同狀態(tài)間快速重構(gòu)。
研究團(tuán)隊設(shè)計了一種基礎(chǔ)單元，通過流體控制技術(shù)實現(xiàn)單元內(nèi)部磁化體素的精細(xì)調(diào)控。各個體素在磁場作用下產(chǎn)生精確可控的彎曲變形，通過特定磁化模式，可使結(jié)構(gòu)在不同磁場條件下表現(xiàn)出磁響應(yīng)變形引導(dǎo)的壓彎屈曲，宏觀上展現(xiàn)出可切換的正、負(fù)泊松比，實現(xiàn)了材料力學(xué)性能的靈活調(diào)控能力。
圖1：磁場引導(dǎo)下的軟超材料基礎(chǔ)單元彎曲機(jī)制示意圖
為實現(xiàn)復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的磁性分布，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種多步流體注射工藝。該方法通過設(shè)計3D流控通路，使用精密注射和磁場定向控制磁性顆粒的排列方向。通過逐步固化和分批注射，最終獲得具有復(fù)雜磁化方向的整體結(jié)構(gòu)，成功解決了傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的3D磁化布局難題。
圖2：多步流體注射磁化編程工藝示意圖
研究團(tuán)隊進(jìn)一步構(gòu)建了8單元MSM晶格結(jié)構(gòu)，并在不同磁場條件下進(jìn)行了加載實驗。結(jié)果表明，晶格結(jié)構(gòu)可以在磁場作用下快速、穩(wěn)定地在正泊松比（膨脹模式）和負(fù)泊松比（收縮模式）之間切換，且具有出色的力學(xué)性能和重復(fù)使用穩(wěn)定性。
圖3：不同磁場條件下超材料晶格結(jié)構(gòu)的壓縮變形模式示意圖
此外，研究還實現(xiàn)了正交各向異性結(jié)構(gòu)的磁性響應(yīng)，通過精確控制磁化方向，實現(xiàn)了在不同軸向平面分別表現(xiàn)出正負(fù)泊松比的獨特性能。這種結(jié)構(gòu)在不同磁場條件下表現(xiàn)出顯著的正交各向異性特征，具有廣泛的潛在應(yīng)用。
圖4：雙軸正交各向異性磁性超材料的結(jié)構(gòu)與性能表征
為展示材料在實際應(yīng)用中的潛力，團(tuán)隊還展示了MSM結(jié)構(gòu)在軟體機(jī)器人和電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。通過磁場快速響應(yīng)，研究人員成功實現(xiàn)了軟機(jī)器人在管道內(nèi)的精確載荷控制和電子電路開關(guān)控制，展現(xiàn)出這種材料在高端制造和智能裝置領(lǐng)域的巨大潛力。這一研究不僅實現(xiàn)了磁響應(yīng)與結(jié)構(gòu)制作的高度解耦，更提供了一種靈活且可控的工藝路線，對推動智能材料在未來高端制造領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。
圖5：磁性軟超材料在軟體機(jī)器人和電子控制方面的功能演示
原文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(24)00403-X
