磁性软材料能够在磁场作用下完成弯曲、折叠、扭转和运动，是软体机器人、柔性电子与生物医学器件的重要材料基础。其形变能力的核心，在于材料内部磁各向异性的空间分布。换句话说，只有把不同方向的磁畴准确“写入”材料，才能让软结构按照预定方式运动。

  然而，磁畴编程长期面临一对矛盾：如果磁性颗粒被固定在固体基体中，材料虽然稳定，却往往需要强磁场和机械预变形才能重新编程；如果让基体液化，使颗粒能够在弱磁场下自由转动，磁流体又容易发生流动、表面起伏和颗粒聚集，导致材料失去形状和编程精度。如何同时获得颗粒的转动自由度与材料的几何稳定性，是液相辅助磁编程中的关键挑战。

图1 磁流体的毛细稳定策略。未受限磁流体在低磁场梯度下出现明显表面失稳；浸润开放多孔框架后，流体被毛细力稳定，同时磁性颗粒仍可在弱磁场下重新取向，实现稳定磁畴编程。

  近期，中国地质大学（武汉）材料与化学学院邓恒团队与西北工业大学无人系统研究院王骏团队提出了一种“毛细锁定”策略：将含有硬磁NdFeB微粒的TPU聚合物溶液浸润到互连开放多孔框架中，利用孔隙内部固–液–气界面产生的毛细压力固定液态磁性复合材料。

  相关研究以“A capillary-locking strategy for programming magnetic domains in soft materials”为题发表于Advanced Functional Materials。中国地质大学（武汉）博士生宋子明为论文第一作者；西北工业大学王骏副教授与中国地质大学（武汉）邓恒教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委支持。

  这套设计看似简单，却解决了一个关键物理问题。多孔框架并不是把磁性浆料完全封闭起来，而是借助孔喉处的弯曲液面产生毛细压力，使体系处于“开放但锁定”的状态。实验测得，该体系的毛细压力约为792.4 Pa，而磁编程过程中产生的磁驱动压力仅约3.89 Pa；体系的Bond数为4.3 × 10??，说明在孔隙尺度上，毛细作用远强于重力。因而，磁性颗粒可以在磁力矩作用下原位转动，宏观流体却不会发生明显迁移和泄漏。

  原位光学观察和计算流体力学模拟进一步证实：没有毛细限域时，液化磁性颗粒会在磁场下发生平移、聚集和重新分布；进入开放多孔框架后，颗粒主要表现为局部旋转，流体运动受到抑制。毛细锁定由此将“颗粒重定向”与“宏观流体流动”解耦，为弱磁场下精确、稳定的磁畴编程提供了新的物理路径。

图2 可重编程磁各向异性驱动复杂二维至三维形变。通过局部溶剂活化与磁取向，同一薄膜可以被重新写入不同磁化图案，并在磁场下形成八足、指针、雪花穹顶以及类似悉尼歌剧院的三维结构。

  该开放结构还赋予材料快速、可逆的溶剂辅助重编程能力。研究人员向目标区域引入DMAC，使固化的TPU/NdFeB复合相在30–60 s内局部液化；随后施加约20 mT的弱磁场，使NdFeB颗粒重新取向；再以水作为非溶剂触发相分离，聚合物基体可在1–10 s内重新固化并固定新的磁畴。一次完整的局部重编程约一分钟即可完成。

  同一条复合材料带可先被编程为四磁畴结构，在磁场下折叠成“W”形；随后又可重编程为双磁畴结构，在相同条件下形成“U”形。经过100次重编程–驱动循环后，材料的变形轮廓仍保持高度一致。除TPU外，聚（ε-己内酯）、海藻酸钠和聚乙烯醇等非交联聚合物体系也表现出类似行为，说明该策略来自普适的界面毛细效应，而非某一种特定聚合物化学。

图3 模块化焊接实现磁驱动三维至三维形状变换。预编程的平面单元可通过溶剂辅助焊接组装为三维骨架盒、塔状结构和环形结构，并在磁场下完成可预测的三维变形。

  与传统密闭封装不同，开放孔道不仅允许溶剂进入，也让不同组件能够通过聚合物互扩散实现“焊接”。研究团队将预先编程的PCMC/OPF单元拼接成扭转环、拱形五角星和花朵状结构，还构建了由六个交替磁畴组成的亚毫米尺度条带。每个磁畴单元宽度仅500 μm，组装后仍保持清晰、离散的磁边界，邻近单元间串扰很小。

  焊接界面还可再次被溶剂解开，使组件能够拆卸、重新配置和再次组装；磁性复合相也可从多孔框架中重新分散并回收。这意味着该体系不仅能“重写磁畴”，还能“重组结构”和“回收材料”，为可持续、可重构软体机器提供了新的制造思路。

图4 磁–电功能集成。通过在开放孔道中选择性引入银浆，研究团队构建了可控制多个LED电路的磁响应开关，并进一步组装出能够在狭窄管道内运动和修复断路的三维磁性导电器件。

  开放多孔框架也为多功能材料集成提供了天然接口。在磁性区域之外选择性引入导电银浆，可获得彼此空间分隔的磁性与导电通路。研究人员据此制备了十字形多开关器件：八个分支具有不同磁化方向，在特定磁场下可依次接触铜线并点亮相应LED。进一步将磁性三棱柱与导电圆柱框架焊接后，器件可在动态磁场下滚动进入狭窄管道，并在较强静态磁场下压缩导电结构、闭合断路。

图5 可重写磁–光加密系统。磁性挡片只有在特定磁场下才会打开并显示隐藏图案；通过重新编程磁性层和更换发光模块，可多次改变加密图形与数字信息。

  研究团队还将稀土氧化物发光材料引入OPF框架，并通过激光切割构建毫米级磁性“百叶窗”。隐藏图案只有在磁驱动和紫外照射同时存在时才会显现。通过重新编程磁性挡片，数字“6”和“8”可被改写为“5”和“0”；再更换发光模块后，还可进一步显示“3”和“7”，展示了动态、可重写的双模态信息加密能力。

图6 面向环境感知与修复的模块化软体机器人。可更换的多孔模块能够完成液体采样、紫外检测和清洁剂释放；轮状机器人可在45°、60°乃至90°表面上运动。

  依托模块化焊接，PCMC/OPF还被构建为能够与环境主动交互的软体机器人。爬行机器人可携带多孔液体采样垫进入受限空间，吸收目标液体后返回；将采样模块换成紫外敏感荧光模块，则可用于未知区域的紫外检测。三维轮状软体机器人能够在旋转磁场下稳定滚动，并成功攀爬45°、60°和90°斜面。多孔框架还可储存清洁剂，在运动过程中持续释放；提高局部磁场强度时，框架受压变形，可主动挤出试剂并加快污染物处理。

图7 面向受限生物医学环境的靶向药物递送。三足机器人可在离体猪胃中完成导航、定点释放和返回；三维模块化机器人能够在一次运动过程中，于三个不同位置依次释放不同载荷。

  在离体猪胃模型中，研究人员进一步展示了靶向药物递送。三足软体机器人中央集成OPF药物储库，可通过磁场切换完成运动构型与释放构型之间的转换，到达目标位置后压缩储库并释放模型药物，随后沿路径返回。更复杂的三维机器人在三个侧面分别携带不同药物模块，可沿非线性路径依次到达三个目标位置，并完成彼此独立的位点特异性释放。

  从二维形变到三维组装，从电路开关、动态加密到环境机器人和药物递送，这项工作展示了开放体系磁性软材料的广阔设计空间。毛细力在这里不再只是熟悉的界面现象，而成为连接流体稳定、弱场编程、模块组装与材料回收的关键制造工具。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.76837