自形变软材料（self-morphing soft materials）是一种具有感知外部环境刺激（例如光，热，电场，磁场等）并能做出相应形状变换的智能复合材料。这类材料在软体机器人，柔性电子器件，仿生传感器以及超材料等领域具有极大的应用潜力。为实现材料的可控形变，在材料的制备过程中需要对材料内部的各向异性结构（anisotropic structures）进行编码（programming）。例如在材料内部编码可控的高分子交联梯度，溶剂梯度，晶相梯度以及纳米纤维阵列等。但是，这些程序化的各向异性结构在被编码后是固定不变的，导致这些材料在确定的外部刺激下仅能实现单个形变模式，限制了这些材料更为广泛的应用。

图 1

  近日，密苏里大学林见教授课题组报道了一种可通过激光直写（Direct laser writing）进行重新编程（reprogramming）的磁性自形变复合软材料。研究人员首先将磁性钕铁硼（NdFeB）粒子包埋于相变高分子聚己内酯（PCL）之中，得到NdFeB@PCL复合微粒。然后将该磁性复合微粒加入到硅橡胶（silicone rubber）基体中形成磁性复合软材料 （图1a）。在室温下，NdFeB粒子被“冻结”在PCL基体中，不能在外界编程磁场（programming magnetic field）下自由转动；通过520 nm激光直写后（图1b），复合材料被局部加热，其中的PCL组分会被融化为液体，此时，NdFeB粒子处于“解冻”状态，能在外界编程磁场下自由转动从而形成的局部磁畴（图1c）。当复合材料冷却后，形成的局部磁畴能临时保存下来。通过协同控制激光直写路径与变换编程磁场方向，复合材料的不同区域将形成不同的局部磁畴，从而得到可编程的磁各向异性（magnetic anisotropy），并用于引导复合材料在外界磁场下的可控磁驱动形变。由于PCL的相转变过程是完全可逆的，当材料被再次施加激光热处理后，NdFeB粒子能被重新“解冻”，重新编程，进而形成新的磁各向异性（图1d）。当复合材料被赋予不同的磁各向异性时，该材料能在相同的外界磁场下实现不同的形变模式（图1e）。

图 2

  如上图所示，研究人员可在同一磁性复合材料中实现不同的磁各向异性编码，使得该磁性复合材料能在同一外界磁场刺激下产生不同的可控形变。图为形变后的三维机构实物照片与有限元模拟结果。

图 3

  利用该磁性复合材料的特性，该团队展示了一系列有趣的应用，包括可重构磁驱动机械屈曲组装（mechanical buckling assembly），可重构多模态开关，以及可重构磁驱动软体机器人。如上图所示，该团队设计了一种剪纸（kirigami）磁性薄片，在该薄片上可多次重写编码不同的磁各向异性，从而使得该磁性薄片在动态外界磁场下能够分别模拟蚯蚓（图3a），尺蠖（图3b）和球潮虫（图3c）的运动模式。

  此项研究提供了一种新思路用于制备和编码可重构的自形变复合材料。该研究对可形变材料的研发有着重要的启示作用，同时也将推动磁性高分子复合材料在柔性机器人，传感器、人工肌肉, 人体微机器人等领域的重要应用。该研究日前以题为“Laser Reprogramming Magnetic Anisotropy in Soft Composites for Reconfigurable 3D Shaping”发表在国际知名期刊Nature communications上。论文第一作者为邓恒博士，论文通讯作者为密苏里大学林见教授。

  文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20229-6