俄亥俄州立大学赵芮可教授团队和佐治亚理工学院齐航教授团队：磁驱软材料新进展——多材料实现超多变形模式的超材料

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形变可编程软材料（programmable shape-changing soft materials）是指能在外界激励（如温度，光照，电场及磁场等）的作用下发生预定形变响应的一类智能复合材料。其中，由弹性基体和镶嵌其中的磁性颗粒组成的磁驱软材料（magnetic soft materials, MSM）由于具有在外磁场下进行无接触操控、快速可逆形变、可控运动的特性，故在软体机器人、软驱动器、生物医疗设备等领域展现出广阔的应用前景。而新近开发的磁驱形状记忆高分子复合材料（Magnetic shape memory polymer, M-SMP）更将远程快速可逆驱动、形状记忆及可重构变形等特性集于一身，功能性得到很大提升（形状记忆与快速形变的完美结合《Adv. Mater.》封面 | 俄亥俄州立大学和佐治亚理工学院合作开发新型磁驱形状记忆高分子材料）。但目前MSM和M-SMP的相关研究多仅限于自身，且两者独自存在时所能获得变形模式较为单一，而多功能器件往往要求材料能够具备多种不同的变形。

近期，俄亥俄州立大学赵芮可教授团队和佐治亚理工学院齐航教授团队通过磁性多材料墨水直写（Magnetic Multi-material Direct Ink Writing, M³DIW）3D打印技术首次将MSM和M-SMP整合到同一系统中，设计出了具有丰富变形模式的磁致动器，并实现了同时具备可变符号泊松比和可切换力学行为（拉压弯剪）的磁活性超材料（magnetic active metamaterials）。该研究成果以“Magnetic Multimaterial Printing for Multimodal Shape Transformation with Tunable Properties and Shiftable Mechanical Behaviors”在线发表于ACS Applied Materials & Interfaces。

如图一所示，本研究中3D打印使用的M-SMP和MSM墨水是将微米级钕铁硼颗粒加入不同配比的聚丙烯酸酯基体中得到的。M-SMP的玻璃转化温度约66℃，其杨氏模量在玻璃转化温度上下发生剧烈变化，从22℃到105℃可从1GPa变为2MPa，从而实现M-SMP的常温形状记忆和高温快速驱动。而MSM的玻璃转化温度低于0°C，从22℃到105℃其模量仅从6MPa变为1MPa，所以在常温和高温下都可快速驱动。为保证打印结构能在一定时间内保持原有形状，墨水中还加入了一定量的纳米级二氧化硅颗粒以调节粘度。在打印过程中，墨水中的钕铁硼颗粒被套在打印针头处的磁环引导为统一的取向，从而可以通过打印路径控制打印的磁极方向。另外，考虑到快速成型的需求，本研究采用紫外光固化打印的结构。

图一(b)通过一个简单的四段式带状构型展示了M-SMP/MSM复合结构多变形模式的工作机理。起初在室温下，M-SMP刚度很大，只有MSM能够被磁场驱动；而提升至高温时，M-SMP刚度降低，M-SMP和MSM均可被驱动。如此得到变形模式1和2。随后在维持磁场的同时降回室温，再去掉磁场，M-SMP由于形状记忆固定在已变形状态，而MSM恢复原状，获得模式3；最后施加反向磁场，得到模式4。

图一：M³DIW磁性多材料墨水直写原理、墨水组成、M-SMP/MSM复合材料工作机制示意图。

利用M-SMP/MSM复合结构的这种特性，该团队展示了一系列有趣的应用，包括具有丰富变形模式的磁致动器，以及同时具备可变符号泊松比和可切换力学行为（拉压弯剪）的磁活性超材料。

图二及视频一展示了两种不同设计的磁致动器。在图二左侧的星型设计中，M-SMP部分和MSM部分的变形相对独立；而右侧的方形设计中，两部分通过相互作用获得更复杂的形态。另外，通过改变所有磁场的方向，还能得到对称的另一组四个变形模式。而这些变形模式不仅能通过一定的磁场/温度加载路径相互转化，部分变形模式还能无需磁场即可维持，大大扩展了设计自由度。

图二：具有多种变形模式的磁致动器。

视频一：具有多种变形模式的磁致动器。

目前的活性超材料的力学行为通常只有轴向的扩张/收缩，且泊松比符号不变。而该团队利用M-SMP/MSM复合结构的特性，设计出了除轴向变形外，还可自由切换为剪切或弯曲变形，且泊松比可变号的新型磁活性超材料。其中一种手性设计如图三和视频二所示，其在常温下表现为剪切变形，泊松比为正，且磁场向上时为竖向剪切，向下时为水平剪切；而在高温下切换为轴向变形，泊松比为负，磁场向上时整体扩张，磁场向下时整体收缩。

图三：具有可变号泊松比及可切换力学行为（拉、压、剪切）的磁活性超材料。

视频二：具有可变号泊松比及可切换力学行为（拉、压、剪切）的磁活性超材料。

另一种沙漏形设计如图四和视频三所示，在常温下表现为轴向变形，泊松比为负，且磁场向上时扩张，向下时收缩。而在高温下，当磁场向上时，仍为轴向变形，但泊松比可随磁场增大而由负变正；当磁场向下时，则切换为弯曲变形，且泊松比为负。

这些磁活性超材料虽然几何外形较为常规，但通过合理设计材料分布和磁化方向，可以获得超常规的物理特性，体现了热-磁耦合控制下M-SMP/MSM复合结构在变形模式上极大的设计自由度。而这些能够灵活调控的变形属性必然伴随着其他多种可调控物理性质，如整体刚度、各向异性、孔隙度、声学带隙等，是未来相关研究的理想载体。

图四：具有可变符号泊松比及可切换力学行为（拉、压、弯曲）的磁活性超材料。

视频三：具有可变符号泊松比及可切换力学行为（拉、压、弯曲）的磁活性超材料。

该工作首次通过磁性多材料墨水直写技术将两种不同的磁性复合材料集成到同一体系中，展示了具有多种变形模式的磁致动器，并实现了同时具备可变符号泊松比和可切换力学行为的磁活性超材料，为将来基于多物理场响应/多功能磁性材料的可变形结构、生物医疗器件、软体智能机器人等方面的研究提供了新的发展机遇。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c13863

团队介绍

该工作由俄亥俄州立大学软智能材料实验室（Soft Intelligent Materials Laboratory，链接: http://zhaor.engineering.osu.edu）和佐治亚理工学院软机敏材料力学和3D打印实验室（Laboratory for Mechanics of Soft Active Materials and 3D Printing，链接: http://www.msm.gatech.edu/jerrys-page）共同完成。该工作的通讯作者为俄亥俄州立大学的赵芮可教授，共同第一作者为俄亥俄州立大学博士生马春平与博士生吴帅，文章的其他作者包括俄亥俄州立大学的博士后迮弃疾博士与张润东，佐治亚理工学院的博士后匡晓博士与齐航教授。

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