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  形變可編程軟材料（programmable shape-changing soft materials）是指能在外界激勵(lì)（如溫度，光照，電場(chǎng)及磁場(chǎng)等）的作用下發(fā)生預(yù)定形變響應(yīng)的一類智能復(fù)合材料。其中，由彈性基體和鑲嵌其中的磁性顆粒組成的磁驅(qū)軟材料（magnetic soft materials, MSM）由于具有在外磁場(chǎng)下進(jìn)行無接觸操控、快速可逆形變、可控運(yùn)動(dòng)的特性，故在軟體機(jī)器人、軟驅(qū)動(dòng)器、生物醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。而新近開發(fā)的磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料（Magnetic shape memory polymer, M-SMP）更將遠(yuǎn)程快速可逆驅(qū)動(dòng)、形狀記憶及可重構(gòu)變形等特性集于一身，功能性得到很大提升（形狀記憶與快速形變的完美結(jié)合《Adv. Mater.》封面 | 俄亥俄州立大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院合作開發(fā)新型磁驅(qū)形狀記憶高分子材料）。但目前MSM和M-SMP的相關(guān)研究多僅限于自身，且兩者獨(dú)自存在時(shí)所能獲得變形模式較為單一，而多功能器件往往要求材料能夠具備多種不同的變形。

  近期，俄亥俄州立大學(xué)趙芮可教授團(tuán)隊(duì)和佐治亞理工學(xué)院齊航教授團(tuán)隊(duì)通過磁性多材料墨水直寫（Magnetic Multi-material Direct Ink Writing, M³DIW）3D打印技術(shù)首次將MSM和M-SMP整合到同一系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)出了具有豐富變形模式的磁致動(dòng)器，并實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具備可變符號(hào)泊松比和可切換力學(xué)行為（拉壓彎剪）的磁活性超材料（magnetic active metamaterials）。該研究成果以“Magnetic Multimaterial Printing for Multimodal Shape Transformation with Tunable Properties and Shiftable Mechanical Behaviors”在線發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces。

  如圖一所示，本研究中3D打印使用的M-SMP和MSM墨水是將微米級(jí)釹鐵硼顆粒加入不同配比的聚丙烯酸酯基體中得到的。M-SMP的玻璃轉(zhuǎn)化溫度約66℃，其楊氏模量在玻璃轉(zhuǎn)化溫度上下發(fā)生劇烈變化，從22℃到105℃可從1GPa變?yōu)?MPa，從而實(shí)現(xiàn)M-SMP的常溫形狀記憶和高溫快速驅(qū)動(dòng)。而MSM的玻璃轉(zhuǎn)化溫度低于0°C，從22℃到105℃其模量?jī)H從6MPa變?yōu)?MPa，所以在常溫和高溫下都可快速驅(qū)動(dòng)。為保證打印結(jié)構(gòu)能在一定時(shí)間內(nèi)保持原有形狀，墨水中還加入了一定量的納米級(jí)二氧化硅顆粒以調(diào)節(jié)粘度。在打印過程中，墨水中的釹鐵硼顆粒被套在打印針頭處的磁環(huán)引導(dǎo)為統(tǒng)一的取向，從而可以通過打印路徑控制打印的磁極方向。另外，考慮到快速成型的需求，本研究采用紫外光固化打印的結(jié)構(gòu)。

  圖一(b)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的四段式帶狀構(gòu)型展示了M-SMP/MSM復(fù)合結(jié)構(gòu)多變形模式的工作機(jī)理。起初在室溫下，M-SMP剛度很大，只有MSM能夠被磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)；而提升至高溫時(shí)，M-SMP剛度降低，M-SMP和MSM均可被驅(qū)動(dòng)。如此得到變形模式1和2。隨后在維持磁場(chǎng)的同時(shí)降回室溫，再去掉磁場(chǎng)，M-SMP由于形狀記憶固定在已變形狀態(tài)，而MSM恢復(fù)原狀，獲得模式3；最后施加反向磁場(chǎng)，得到模式4。

圖一：M³DIW磁性多材料墨水直寫原理、墨水組成、M-SMP/MSM復(fù)合材料工作機(jī)制示意圖。

  利用M-SMP/MSM復(fù)合結(jié)構(gòu)的這種特性，該團(tuán)隊(duì)展示了一系列有趣的應(yīng)用，包括具有豐富變形模式的磁致動(dòng)器，以及同時(shí)具備可變符號(hào)泊松比和可切換力學(xué)行為（拉壓彎剪）的磁活性超材料。

  圖二展示了兩種不同設(shè)計(jì)的磁致動(dòng)器。在圖二左側(cè)的星型設(shè)計(jì)中，M-SMP部分和MSM部分的變形相對(duì)獨(dú)立；而右側(cè)的方形設(shè)計(jì)中，兩部分通過相互作用獲得更復(fù)雜的形態(tài)。另外，通過改變所有磁場(chǎng)的方向，還能得到對(duì)稱的另一組四個(gè)變形模式。而這些變形模式不僅能通過一定的磁場(chǎng)/溫度加載路徑相互轉(zhuǎn)化，部分變形模式還能無需磁場(chǎng)即可維持，大大擴(kuò)展了設(shè)計(jì)自由度。

圖二：具有多種變形模式的磁致動(dòng)器。

  目前的活性超材料的力學(xué)行為通常只有軸向的擴(kuò)張/收縮，且泊松比符號(hào)不變。而該團(tuán)隊(duì)利用M-SMP/MSM復(fù)合結(jié)構(gòu)的特性，設(shè)計(jì)出了除軸向變形外，還可自由切換為剪切或彎曲變形，且泊松比可變號(hào)的新型磁活性超材料。其中一種手性設(shè)計(jì)如圖三所示，其在常溫下表現(xiàn)為剪切變形，泊松比為正，且磁場(chǎng)向上時(shí)為豎向剪切，向下時(shí)為水平剪切；而在高溫下切換為軸向變形，泊松比為負(fù)，磁場(chǎng)向上時(shí)整體擴(kuò)張，磁場(chǎng)向下時(shí)整體收縮。

圖三：具有可變號(hào)泊松比及可切換力學(xué)行為（拉、壓、剪切）的磁活性超材料。

  另一種沙漏形設(shè)計(jì)如圖四所示，在常溫下表現(xiàn)為軸向變形，泊松比為負(fù)，且磁場(chǎng)向上時(shí)擴(kuò)張，向下時(shí)收縮。而在高溫下，當(dāng)磁場(chǎng)向上時(shí)，仍為軸向變形，但泊松比可隨磁場(chǎng)增大而由負(fù)變正；當(dāng)磁場(chǎng)向下時(shí)，則切換為彎曲變形，且泊松比為負(fù)。

  這些磁活性超材料雖然幾何外形較為常規(guī)，但通過合理設(shè)計(jì)材料分布和磁化方向，可以獲得超常規(guī)的物理特性，體現(xiàn)了熱-磁耦合控制下M-SMP/MSM復(fù)合結(jié)構(gòu)在變形模式上極大的設(shè)計(jì)自由度。而這些能夠靈活調(diào)控的變形屬性必然伴隨著其他多種可調(diào)控物理性質(zhì)，如整體剛度、各向異性、孔隙度、聲學(xué)帶隙等，是未來相關(guān)研究的理想載體。

圖四：具有可變符號(hào)泊松比及可切換力學(xué)行為（拉、壓、彎曲）的磁活性超材料。

  該工作首次通過磁性多材料墨水直寫技術(shù)將兩種不同的磁性復(fù)合材料集成到同一體系中，展示了具有多種變形模式的磁致動(dòng)器，并實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具備可變符號(hào)泊松比和可切換力學(xué)行為的磁活性超材料，為將來基于多物理場(chǎng)響應(yīng)/多功能磁性材料的可變形結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)療器件、軟體智能機(jī)器人等方面的研究提供了新的發(fā)展機(jī)遇。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c13863

團(tuán)隊(duì)介紹

  該工作由俄亥俄州立大學(xué)軟智能材料實(shí)驗(yàn)室（Soft Intelligent Materials Laboratory，鏈接: http://zhaor.engineering.osu.edu）和佐治亞理工學(xué)院軟機(jī)敏材料力學(xué)和3D打印實(shí)驗(yàn)室（Laboratory for Mechanics of Soft Active Materials and 3D Printing，鏈接: http://www.msm.gatech.edu/jerrys-page）共同完成。該工作的通訊作者為俄亥俄州立大學(xué)的趙芮可教授，共同第一作者為俄亥俄州立大學(xué)博士生馬春平與博士生吳帥，文章的其他作者包括俄亥俄州立大學(xué)的博士后迮棄疾博士與張潤(rùn)東，佐治亞理工學(xué)院的博士后匡曉博士與齊航教授。