可3D打印的新型磁驅形狀記憶高分子復合材料

形狀可編程軟材料是指具有感知環(huán)境激勵（光、溫度、濕度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）能力并做出形變響應的一系列智能復合軟材料，他們通常具有遠程控制、快速可逆形變、形狀記憶、可重構變形中的一種或者幾種特性。

由于具有和生物體應激響應類(lèi)似的特點(diǎn)并克服了傳統堅硬的機械變形機構的缺陷，形狀可編程軟材料在軟體機器人、軟驅動(dòng)器、可穿戴設備、生物醫療設備等領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。常見(jiàn)的形狀可編程軟材料包括液晶彈性體、介電彈性體、水凝膠、形狀記憶高分子等， 但他們都具有各自的局限性，目前為止還沒(méi)有一種材料可以集成以上提到的所有形變特性。其主要挑戰來(lái)自于其中的一些特性是互相對立的，比如形狀記憶要求材料在被記憶的變形狀態(tài)下具有很大的剛度，但這同時(shí)又會(huì )對形變的速度產(chǎn)生極大的限制。

12月9日發(fā)表的《Advanced Materials /先進(jìn)材料》封面文章 Magnetic Shape Memory Polymers with Integrated Multifunctional Shape Manipulation，報道了一種新型的集遠程快速可逆驅動(dòng)、形狀記憶和可重構變形等特性于一體的磁驅形狀記憶高分子復合材料。

結合3D打印技術(shù)，應用領(lǐng)域廣泛

這項研究工作首次提出的磁驅形狀記憶高分子復合材料通過(guò)分別利用兩種磁性粒子用來(lái)加熱和驅動(dòng)，將遠程快速可逆驅動(dòng)、形狀記憶和可重構變形等特性創(chuàng )造性的集成于一種材料體系中，展示了在包括軟抓手、可重構天線(xiàn)、時(shí)序驅動(dòng)設備、數字邏輯電路等應用中的優(yōu)勢。

隨著(zhù)先進(jìn)仿真優(yōu)化工具和3D/4D打印技術(shù)在設計優(yōu)化與復雜結構制造領(lǐng)域的發(fā)展，論文所演示的技術(shù)表明，新型磁驅形狀記憶高分子復合材料可作為廣泛應用的材料，應用于生物醫療器件、主動(dòng)超材料、可重構柔性電子、智能軟體機器人等領(lǐng)域。

論文中報道的主要研究成果如下：

磁驅形狀記憶高分子復合材料將微米級四氧化三鐵（Fe3O4）和釹鐵硼（NdFeB）顆粒加入基于聚丙烯酸酯的形狀記憶高分子（SMP）基體中（下圖）,材料基底提供了剛度可調的特性，材料的楊氏模量在玻璃轉化溫度上下會(huì )發(fā)生劇烈變化，在25℃到85℃區間內可以從3GPa變化為2MPa，為材料同時(shí)實(shí)現低溫形狀記憶和高溫快速驅動(dòng)提供了可能；四氧化三鐵顆粒在高頻磁場(chǎng)作用下會(huì )產(chǎn)生很高的磁滯損耗，被用于遠程加熱材料；釹鐵硼顆粒具有高剩磁和磁化特性可編輯的特點(diǎn)，在外部低頻或者直流磁場(chǎng)的作用下可以使材料產(chǎn)生可重構的快速可逆變形。

M-SMP磁驅形狀記憶高分子復合材料的組成和原理示意圖。

當材料溫度在室溫左右時(shí)，材料的剛度很大，無(wú)法被磁場(chǎng)驅動(dòng)；而當溫度逐漸提高，材料的剛度逐漸降低，在同樣磁場(chǎng)的驅動(dòng)下，變形量逐漸增大；當停止加熱并保持住驅動(dòng)磁場(chǎng)，材料的剛度隨著(zhù)材料的冷卻又逐漸提高，當材料降到室溫時(shí)，此時(shí)再撤去驅動(dòng)磁場(chǎng)，材料可以保持住之前的形變。

高載重比軟抓手。

（a）抓手設計和磁化方向；（b）在高溫狀態(tài)下，抓手無(wú)法抓取鉛球；（c）在低溫狀態(tài)下，抓手可以抓起遠重于自身重量的鉛球。

研究團隊利用M-SMP材料的特性，展示了一系列有趣的應用，包括可以抓取重物的軟抓手（ 載重比1113），可重構天線(xiàn)，仿生花開(kāi)放以及時(shí)序邏輯電路。

軟抓手由于材料可以有無(wú)限自由度的變形，可以自由適應被抓物體的形狀，但由于材料本身剛度較低，載重比會(huì )被嚴重限制。而由M-SMP磁驅形狀記憶高分子復合材料制成的軟抓手可以完美的克服這個(gè)缺陷，如上圖所示，當溫度較高時(shí)，抓手無(wú)法提起遠重于抓手重量的鉛球，而當抓手被降至室溫后，材料的模量提升了三個(gè)數量級，可以輕易提升起鉛球。

M-SMP可重構天線(xiàn)。

（a）天線(xiàn)設計和磁化方向；（b）通過(guò)控制磁場(chǎng)來(lái)控制天線(xiàn)的形變；（c）天線(xiàn)的頻率特性圖；（d）天線(xiàn)的輻射特性圖。

M-SMP可重構天線(xiàn)可以通過(guò)改變天線(xiàn)的形狀重構天線(xiàn)的諧振頻率、工作帶寬和輻射特性等，利用M-SMP磁驅形狀記憶高分子復合材料形變和形狀記憶特性，天線(xiàn)可以非常靈活的改變形狀并在不耗費任何能量的情況下保持住新的形狀（上圖）。

實(shí)驗花狀結構有兩種類(lèi)型的花瓣, 各個(gè)花瓣沿徑向向外磁化, 中心部分使用商用剛性樹(shù)脂與Formlabs Form2 3D打印機進(jìn)行3D打印，然后將花瓣粘到中央部分。

由于M-SMP材料是通過(guò)Fe3O4顆粒對磁場(chǎng)的感應加熱的，通過(guò)改變Fe3O4的含量可以實(shí)現加熱速率的不同，進(jìn)而可以實(shí)現不同結構的時(shí)序驅動(dòng)?；跁r(shí)序驅動(dòng)的原理，該團隊設計并展示了一朵仿生花的逐層開(kāi)放過(guò)程，M-SMP仿生花由三層花瓣組成，最外層花瓣具有最高的Fe3O4含量，最內層花瓣具有最低的Fe3O4含量，經(jīng)過(guò)精心設計的仿生花與實(shí)際花具有十分相似的盛開(kāi)效果。

基于M-SMP磁驅形狀記憶高分子的D鎖存器。

（a）D鎖存器真值表；（b）原理示意圖；（c）溫度與使能信號的模數轉換關(guān)系；（d）3D打印電路；（e）時(shí)序邏輯電路的磁場(chǎng)控制示意圖；（f）通過(guò)LED展示的時(shí)序邏輯電路效果圖。

除了對外界激勵產(chǎn)生響應的特性外，智能軟材料還具有潛在的集成驅動(dòng)和計算的能力，目前已經(jīng)有一些研究者嘗試通過(guò)軟材料實(shí)現機器學(xué)習或數字邏輯電路功能的研究。M-SMP磁驅形狀記憶高分子可以被用來(lái)設計實(shí)現時(shí)序邏輯電路的一個(gè)基本器件D鎖存器（上圖a-c）。

考慮驅動(dòng)磁場(chǎng)作為一個(gè)D鎖存器的控制信號，加熱磁場(chǎng)用來(lái)控制D鎖存器的使能信號，當材料溫度大于玻璃轉化溫度時(shí)，材料變軟可以被外界磁場(chǎng)驅動(dòng)變形，認為使能信號為1，反之材料模量很高無(wú)法被磁場(chǎng)驅動(dòng)，認為使能信號為0，通過(guò)合理控制加熱磁場(chǎng)和驅動(dòng)磁場(chǎng)就可以實(shí)現信息的寫(xiě)入和存儲。進(jìn)一步結合時(shí)序驅動(dòng)的原理，一個(gè)包含3個(gè)LED的電路被用來(lái)展示一個(gè)3位寄存器的功能（上圖d-f ），通過(guò)控制兩種磁場(chǎng)的輸入可以實(shí)現3個(gè)LED的8種開(kāi)斷狀態(tài)的任意切換和3位數字信息的存儲，該功能還可以很方便的擴展到任意多位的存儲器。