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

  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。

全文链接：http://www.polymer.cn/sci/kjxw17769.html

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20229-6