近期，浙江工业大学机械工程学院吴化平教授团队的智能器件与仿生机械实验室在柔性表面动态可编程调控研究中取得重要进展，相关成果作为卷首论文（frontispiece）发表在《Advanced Functional Materials》（2025, 35, 2508885）上。该研究将双稳态穹顶结构引入水凝胶柔性表面，并利用磁场驱动实现了快速、可重新编程的表面形貌调控。所开发的磁驱变形技术展现出在动态显示、信息加密与解密、以及物体选择性转移等多个领域的应用潜力，为磁控软体机器人与智能多功能表面技术的发展提供了新思路。

图1 Advanced Functional Materials: Volume 35, Issue 33卷首论文

  随着智能技术的快速发展，柔性动态表面凭借其优异的柔韧性、多功能性和可控性，在液体输运、信息加密、可切换粘附、软体机器人以及柔性传感器等领域展现出巨大的应用潜力。动态可变形表面的功能实现通常依赖于智能材料的合理选择与结构设计。然而，现有的动态表面在完成形貌变形后往往需要持续外部能量供给以维持稳定状态，这极大限制了其应用拓展。因此，如何在无持续能量输入条件下保持形貌的稳定，成为亟待解决的关键问题。

  具有两个稳定平衡态的双稳态结构为该问题提供了前景广阔的解决思路。其固有的双稳态特性不仅能够以最小能量输入实现形态跃迁，并在跃迁过程中释放显著的输出力，还能在外部刺激撤除后保持稳定状态而无需额外能量供给。一种构建双稳态表面的有效方法是利用水凝胶薄膜的空间可控平面内溶胀，通过平面外屈曲变形形成三维结构。然而，已有报道的水凝胶表面在形态跳转过程中存在能量存储时间较长的问题，且难以实现对表面变形的精准与可编程调控。

  为应对上述挑战，需要开发一种能够缩短能量存储时间并实现对图案化水凝胶表面形貌高精度调控的简便策略。利用磁场强度随距离迅速衰减的特性，通过设定磁性穹顶单元的磁响应阈值、优化其在薄膜中的空间排布，并结合磁场的精确调控，即可实现多双稳态单元的非接触式高精度独立驱动。与此同时，磁场直接作用于磁响应单元的特性还能够有效缩短能量存储时间，从而显著提升系统的响应速度。

图2 具有双稳态穹顶阵列的水凝胶薄膜及其磁驱跳转、信息加密/解密与选择性粘附

  研究团队首先设计并制备了一种磁性双稳态水凝胶动态表面。这种表面由高溶胀的磁性圆形凝胶分散在非溶胀的凝胶薄膜中。由于两者在溶胀程度上的差异，高溶胀区域会自然弯曲，形成交替分布的凹凸穹顶，这些穹顶具有典型的双稳态特性（图 2A）。当外加磁场方向与穹顶隆起方向相反时，磁力会瞬间驱使穹顶向磁场方向翻转弹出（图 2B、C）。这一变形过程不仅快速可逆，而且高度可控；更为关键的是，穹顶在凹面或凸面状态下都能在无需持续能量输入的情况下保持稳定。通过调节穹顶的磁阈值、设计水凝胶中穹顶的空间分布以及精确控制外部磁场，研究人员实现了表面的可编程、超快且非接触式动态变形。在此基础上，团队进一步展示了其在动态显示、信息加密与解密以及选择性物体粘附等方面的应用潜力（图 2D、E）。

图3 基于磁场驱动可编程水凝胶薄膜的动态显示

  研究团队在系统研究图案化凝胶组成及薄膜几何尺寸对磁驱水凝胶跳转行为的影响后，成功实现了对该薄膜表面图案的动态、远程与按需编程。通过精确调控磁场分布与强度，可生成多种预设图案，例如字母“H”、“O”和“T”（图3）。与以往研究相比，该表面在响应速度和单元尺寸方面均取得了显著提升。此外，为实现多个单元的顺序驱动，研究团队开发了一套优化的磁驱系统。该系统集成了高精度、高效率的3D运动控制模块，磁铁固定于X轴或Y轴的一端，由电机驱动。该设计大幅减少了所需磁铁数量，有效简化了磁控系统，其最大移动速度可达100 mm/s。借助该高速移动模块，即便扩展到更多穹顶单元，也能在极短时间内实现对多个单元的精准、高效控制。

图4 用于加密解密的磁控图案化凝胶薄膜

  此外，研究团队还提出了一种通过调节磁性高溶胀凝胶组成以设定其对外部磁场响应阈值的方法，从而能够在均匀磁场中实现表面形貌的按需调控（图4）。作者构建了一个3×3图案化凝胶阵列，其不同位置的磁性单元因磁性颗粒含量各异而表现出不同的磁响应阈值。在该系统中，凸起的穹顶单元对应于二进制数“1”，凹陷状态则编码为“0”。通过在该阵列中配置具有特定磁响应阈值的高溶胀单元，该薄膜可实现信息加密功能；反之，通过调节磁铁与薄膜间距即可完成解密。此3×3磁性凝胶阵列最多可编码512个独立数值，其取值范围为0至511。

图5 图案化水凝胶薄膜的粘附性能及其对物体的选择性拾取与释放过程

  最后，研究团队还通过编程控制磁场，实现了图案化水凝胶薄膜对目标物体的选择性拾取与释放（图5）。该磁性穹顶凝胶可在较小预加载荷（2 mN）下稳定粘附于不同粗糙度的物体表面（如硅片、玻璃、塑料和白纸），并能够有效拾取多种不规则形状物体（如铅笔芯、眼镜、金属扣眼、陶瓷电容器）及易碎物体（如干花、隐形眼镜）。选择性拾取与释放过程如下：首先，将带有3×3凹状穹顶凝胶单元的图案化水凝胶薄膜置于3×3硅片阵列上方，阵列中的目标硅片与非目标硅片已预先分别标记为红色与蓝色。随后，在非目标区域施加磁场，使该区域内的穹顶凝胶从凹态跳转为凸态。将变形后的薄膜靠近基底，此时仅十字形区域中的目标硅片被粘附。接着，将薄膜与目标硅片一同提起，转移至新基底上方。最后，在目标区域施加磁场，使所有凹态穹顶转变为凸态，从而将目标硅片释放到新基底上。

  相关研究成果当选Volume 35, Issue 33卷首论文（frontispiece）。该研究得到了国家自然科学基金项目（12372168）、浙江省科学技术厅“尖兵”“领雁”项目（2023C01051）、浙江省杰出青年科学基金延续项目（RG25A020001）和浙江省自然科学基金重点项目（QZSZ25E030011）的经费资助。

  论文信息

  A Dynamically Programmable Hydrogel Surface with Rapid Magnetically Actuated Snapping of Bistable Dome Configurations

  Ye Tian, Hao Qi, Zhi Jian Wang, Chen Yu Li, Shaowen Zhu, Yanshen Cai, Ye Qiu, Yi Song, Aiping Liu, Huaping Wu*

  Advanced Functional Materials

  https://doi.org/10.1002/adfm.202508885