西安交通大学软机器实验室研发出磁凝胶形状控制技术

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水凝胶的形状控制在仿生学，软机器和生物医学工程等领域应用广泛。磁场因其具有远程遥控、局部驱动和生物相容的特性，在多种场合有着不可替代的用途。然而现有的磁驱动软结构多为磁弹性体而非磁凝胶，因为磁凝胶的磁化强度太低，难以在静态磁场下发生复杂变形。

西安交通大学软机器实验室研究人员，提出一种新的策略来实现磁凝胶的形状控制（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019）。制备同时对磁场与温度敏感的磁性聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶（PNIPAm），磁凝胶在动态磁场下具有磁热效应，当温度上升到临界温度之后，磁凝胶发生体积变形。通过磁凝胶-弹性体的双层梁设计，可以实现结构的弯曲；发现曲率在临界温度附件急剧变化。

图1 运用磁热效应控制磁凝胶形状变化的原理

为了探究该变形机制的影响参数，作者改变磁场强度，双层梁的厚度比，磁性粒子含量，发现所有的数据在温度-曲率图中重叠在一起，意味着所有双层梁的曲率都会在某一临界温度下发生急剧的增长。这一临界温度约为34 °C，与PNIPAm水凝胶的LCST接近，说明该磁凝胶的变形实质上是由温度决定的。

图2 影响磁凝胶形状变化的基本参数

通过设计磁凝胶在弹性体基底上的分布形式，作者展示了各种各样的二维结构和三维结构；并且利用日常生活中的“铰链”的概念，实现了简单的折纸结构。

图3 动态磁场驱动的二维、三维和折纸结构

最后，综合利用静态磁场和动态磁场，实现了磁导航和磁变形。

图4 磁导航和磁变形

该研究工作发表于ACS Appl. Mater. Interfaces。西安交通大学青年教师唐敬达为第一作者，王铁军教授为通讯作者。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.9b05742

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