軟材料中的動(dòng)態(tài)拓?fù)滢D(zhuǎn)換，例如，在不同的屈曲或褶皺狀態(tài)之間切換，通常會(huì)帶來(lái)特殊的聲學(xué)、力學(xué)特性，并且在自然界生物的生命行為中起著重要作用。為了使可變形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可控拓?fù)渥儞Q，研究人員開(kāi)發(fā)了基于化學(xué)溶劑、溫度、pH和光的控制策略。然而，目前報(bào)道的調(diào)節(jié)方法大多基于軟材料的準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)制，開(kāi)發(fā)一種高度可控的動(dòng)態(tài)調(diào)控策略十分具有挑戰(zhàn)。這一策略可為跨尺度形態(tài)調(diào)節(jié)和多模態(tài)各向異性變形提供研究手段，有助于揭示自然界中復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變換機(jī)制，并進(jìn)一步拓展可變形結(jié)構(gòu)與軟材料在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

近期，香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系張立教授團(tuán)隊(duì)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）金東東副教授聯(lián)合香港城市大學(xué)張甲晨教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王柳教授展示了基于磁彈性體的可變形軟體材料，其具有由屈曲不穩(wěn)定性編碼的三維異質(zhì)磁疇分布，用于實(shí)現(xiàn)軟材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和多模態(tài)各向異性形貌變換。所提出的策略以無(wú)模板方式形成具有三維磁疇分布的磁響應(yīng)材料，在微流控、顆粒操控、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域中具有廣闊的前景。相關(guān)研究成果以 “Dynamic morphological transformations in soft architected materials via buckling instability encoded heterogeneous magnetization” 為題發(fā)表于國(guó)際著名期刊Nature Communications上。

圖1 磁彈性體的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖

3D可變形結(jié)構(gòu)由摻雜鐵磁性顆粒的有機(jī)硅彈性體制成，如圖1所示。磁性彈性體通過(guò)吸收各種有機(jī)溶劑（例如甲苯、乙酸乙酯和正己烷）而使它們擴(kuò)散到彈性體網(wǎng)絡(luò)中，從而引起自身結(jié)構(gòu)的膨脹。當(dāng)制備的磁性彈性體一端附著于親水玻璃基板上并浸入到甲苯時(shí)，彈性體結(jié)構(gòu)的溶脹行為因受到基板約束的影響，自發(fā)形成的軸向壓縮力會(huì)使其產(chǎn)生屈曲變形。屈曲狀態(tài)的形貌可以通過(guò)彈性體的幾何參數(shù)、溶劑的吸收率、人工缺陷、連接類(lèi)型等因素進(jìn)行調(diào)整。對(duì)屈曲變形的磁性彈性體施加強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)磁化，再浸泡于乙醇中收縮恢復(fù)至未變形狀態(tài)，便可在磁彈性體中實(shí)現(xiàn)各向異性的三維磁疇分布。此時(shí)，在外加磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，基于磁彈性體的條帶結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生跨尺度與多模態(tài)的動(dòng)態(tài)形變。

圖2 連接類(lèi)型的影響和晶格結(jié)構(gòu)的幾何變換：（a）不同邊界類(lèi)型對(duì)屈曲構(gòu)型的影響；（b）磁刺激下波數(shù)（Wn）、屈曲結(jié)構(gòu)的振幅和幾何參數(shù)（L/H）之間的定量關(guān)系；（c）磁刺激下變形結(jié)果的幅度與邊界角（α）之間的定量關(guān)系；（d）方形晶格結(jié)構(gòu)的變換；（e-f）六角晶格和交錯(cuò)晶格的變換；（g-h）具有人工缺陷的方形和三角形晶格的變換

這種基于屈曲不穩(wěn)定性的磁編程方式無(wú)需模板輔助，可用于快速實(shí)現(xiàn)具有可編碼異質(zhì)磁化分布的軟材料結(jié)構(gòu)。結(jié)合強(qiáng)度、方向以及梯度可控的外加驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)超準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)控的多模態(tài)各向異性拓?fù)渥儞Q行為。為了闡明其調(diào)節(jié)機(jī)制，研究人員還開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的理論模型與有限元模型，系統(tǒng)地研究了非獨(dú)立軟材料結(jié)構(gòu)的溶劑和磁響應(yīng)行為，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。

最后，研究人員通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的調(diào)制，使磁性彈性體發(fā)生動(dòng)態(tài)形貌重構(gòu)，從而產(chǎn)生包括定向流體、混合流體和渦流在內(nèi)的一系列可控流體行為，并展示了其在流體操作、顆粒篩選、生物檢測(cè)、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

圖3 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變換產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)：（a-b）條帶結(jié)構(gòu)在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)方向下誘導(dǎo)的流場(chǎng)；（c）由兩個(gè)具有對(duì)稱(chēng)形狀變形結(jié)果的條帶結(jié)構(gòu)引起的流場(chǎng)；（d-e）演示了利用多個(gè)條帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行液滴操縱

圖4 磁性彈性體轉(zhuǎn)變的示例性應(yīng)用：（a）原位顆粒操縱的示意圖和演示；（b）用于靈敏度增強(qiáng)的生物醫(yī)學(xué)分析的氣溶膠液滴收集；（c）使用磁彈性體的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換在低雷諾數(shù)下進(jìn)行流體混合；（d）由磁彈性體的動(dòng)態(tài)幾何變換驅(qū)動(dòng)的無(wú)線游泳機(jī)器人

綜上所述，香港中文大學(xué)張立教授團(tuán)隊(duì)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）金東東副教授提出了一種新型的磁編程策略，以實(shí)現(xiàn)軟材料的動(dòng)態(tài)形態(tài)變換和多模式各向異性轉(zhuǎn)變。利用屈曲不穩(wěn)定現(xiàn)象的磁化編程方式，為今后發(fā)展可控三維磁疇分布的磁性軟材料提供了一種簡(jiǎn)易有效的新方法。

這項(xiàng)研究得到香港研究資助局（RGC）、香港創(chuàng)新科技署（ITC）、中大天石機(jī)器人研究所、中大信興高等工程研究所、中大-中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院機(jī)器人與智能系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新香港研發(fā)平臺(tái)（InnoHK）的醫(yī)療機(jī)器人創(chuàng)新技術(shù)中心（MRC）的支持。該工作得到香港城市大學(xué)張甲晨教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王柳教授的大力合作和幫助。

審核編輯：郭婷