磁性材料也會“生長”了！

（來源：受訪者）

當(dāng)?shù)貢r間 6 月 19 日，由俄亥俄州立大學(xué)軟智能材料實驗室趙芮可教授、佐治亞理工學(xué)院軟機敏材料力學(xué)和 3D 打印實驗室齊航教授擔(dān)任共同通訊作者，趙芮可團隊博士生吳帥和博士后迮棄疾博士、以及齊航團隊的匡曉博士擔(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，她和團隊結(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)軟材料還能被遠程控制。

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

據(jù)她介紹，該材料具備遠程控制和響應(yīng)的機制，實現(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）

如此就可實現(xiàn)遠程控制復(fù)雜材料的變形和運動，這種材料一般用于做小型軟體機器人，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器人，未來可實現(xiàn)直接以遠程微創(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、然后再進行降溫，這時皮筋變長了，留在變形后的形狀，而且仍然是可以彈性變形的軟材料。

?

首次實現(xiàn)利用重塑二維結(jié)構(gòu)進行復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)加工

?

關(guān)于該研究的獨到之處，趙芮可說其團隊一直研究磁性材料，齊航團隊則在基底材料上有著豐富經(jīng)驗。

?

此前在磁性材料領(lǐng)域，尚無材料可實現(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。

?

而該團隊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行加熱，這時材料內(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，在對其進行永久形狀重構(gòu)后，該團隊分別實現(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，借助圖案化紅外光、對材料進行加熱，即可實現(xiàn)復(fù)雜磁化再編程，而且是可反復(fù)進行的磁化編程。

?

具體來說，材料加熱到 120 °C 左右時，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，來實現(xiàn)對每個模塊磁化方向的任意轉(zhuǎn)變，從而通過遠程編程法，來實現(xiàn)磁化分布的改變，讓材料在同樣磁場下實現(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，該團隊還實現(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)運動，可對不同模塊的組裝進行遠程控制。此外，利用激光還可實現(xiàn)遠程焊接，進而可獲得復(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動，往往無法讓大物體進入狹窄空間，但可以讓各種模塊，在遠程磁場的趨勢下，像變形金剛一樣自己組成功性能軟體機器人。

動圖 | 磁體組成軟體機器人（來源：受訪者）

利用磁性 “邏輯單元” 設(shè)計，實現(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。

（來源：受訪者）

這時就會用到化學(xué)熔焊，即讓材料在高溫條件下，斷開化學(xué)鍵、并重新和旁邊的鏈條連接。比如兩個斷開的模塊并在一起時，如果用機械外力去掰它，很容易就會分開。

?

但是，當(dāng)對其進行加熱，材料界面就會以化學(xué)方式連接起來，這一過程相當(dāng)于焊接。

?

具體來說，在磁吸引力的輔助下，不同模塊會緊密相連著，加熱到 80 °C 左右，動態(tài)高分子基底可在接觸面上，生成新的化學(xué)連接并被焊接在一起。

?

讓兩種方形基本 “邏輯單元” 即單向磁化與雙向磁化，進行不同組合后即可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、彎曲、扭轉(zhuǎn) - 彎曲、同向彎折和垂直彎折五種變形模式。據(jù)趙芮可介紹，該方法可用于任意形狀的組裝與復(fù)雜結(jié)構(gòu)驅(qū)動。

圖 | 磁性動態(tài)高分子復(fù)合材料用于磁輔助模塊組裝、焊接與驅(qū)動（來源：受訪者）

就磁機器人的磁材料，提供出小型化方案

?

在應(yīng)用方面，趙芮可表示，傳統(tǒng)機器人需要電機驅(qū)動，因此體積非常大。但如果用磁這樣的場來控制材料，驅(qū)動裝置可以和變形機構(gòu)分開。

?

即，外加磁場承擔(dān)著驅(qū)動裝置的作用，當(dāng)材料本身就是驅(qū)動器，如此一來機器人體積就會非常小。這也是為何它能應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，實現(xiàn)遠程控制軟體機器人去做復(fù)雜操作的原因。

?

談及過往，她告訴 DeepTech，自己從小成長在西安，本次合作的齊航也是西安人。

?

2012 年，趙芮可畢業(yè)于西安交通大學(xué)機械工程系。本科畢業(yè)后，她留學(xué)美國布朗大學(xué)，主要從事計算力學(xué)以及軟材料的穩(wěn)定性研究。在麻省理工學(xué)院（MIT）做博士后研究期間，開始磁性軟材料的工作。

?

2018 年，她入職美國俄亥俄州立。她說：“我的課題組里學(xué)生背景多元化，實驗室交叉學(xué)科的環(huán)境，有利于產(chǎn)生創(chuàng)新思想以及幫助學(xué)生成長。我非常欣賞中國學(xué)生刻苦努力、樂于積極思考的特質(zhì)，與美國學(xué)生樂于和人交流的特質(zhì)結(jié)合后，學(xué)生們會產(chǎn)生更好的科研成果?！?/p>

?

2021 年 9 月，趙芮可教授將加入斯坦福大學(xué)機械系，她和學(xué)生也即將迎來新起點。談及未來她表示，在生物醫(yī)療器械、軟體機器人、柔性器件、以及航空航天領(lǐng)域，軟物質(zhì)材料均具備無限前景。

?

而高校科研的魅力在于，可將個人科研探索樂趣與實際應(yīng)用進行結(jié)合。趙芮可也期望自己的學(xué)生們無論背景如何，都能共同享受科研的樂趣。


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動詳情
?