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  水凝膠的形狀控制在仿生學，軟機器和生物醫(yī)學工程等領域應用廣泛。磁場因其具有遠程遙控、局部驅動和生物相容的特性，在多種場合有著不可替代的用途。然而現(xiàn)有的磁驅動軟結構多為磁彈性體而非磁凝膠，因為磁凝膠的磁化強度太低，難以在靜態(tài)磁場下發(fā)生復雜變形。

  西安交通大學軟機器實驗室研究人員，提出一種新的策略來實現(xiàn)磁凝膠的形狀控制（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019）。制備同時對磁場與溫度敏感的磁性聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠（PNIPAm），磁凝膠在動態(tài)磁場下具有磁熱效應，當溫度上升到臨界溫度之后，磁凝膠發(fā)生體積變形。通過磁凝膠-彈性體的雙層梁設計，可以實現(xiàn)結構的彎曲；發(fā)現(xiàn)曲率在臨界溫度附件急劇變化。

圖1 運用磁熱效應控制磁凝膠形狀變化的原理

  為了探究該變形機制的影響參數(shù)，作者改變磁場強度，雙層梁的厚度比，磁性粒子含量，發(fā)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)在溫度-曲率圖中重疊在一起，意味著所有雙層梁的曲率都會在某一臨界溫度下發(fā)生急劇的增長。這一臨界溫度約為34 °C，與PNIPAm水凝膠的LCST接近，說明該磁凝膠的變形實質上是由溫度決定的。

圖2 影響磁凝膠形狀變化的基本參數(shù)

  通過設計磁凝膠在彈性體基底上的分布形式，作者展示了各種各樣的二維結構和三維結構；并且利用日常生活中的“鉸鏈”的概念，實現(xiàn)了簡單的折紙結構。

圖3 動態(tài)磁場驅動的二維、三維和折紙結構

  最后，綜合利用靜態(tài)磁場和動態(tài)磁場，實現(xiàn)了磁導航和磁變形。

圖4 磁導航和磁變形

  該研究工作發(fā)表于ACS Appl. Mater. Interfaces。西安交通大學青年教師唐敬達為第一作者，王鐵軍教授為通訊作者。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.9b05742