|
生命的一個重要特征是對外界的刺激做出智能的響應。制造具有激勵響應功能的材料和機器 —— 特別是和生物體相似的活性軟材料和軟機器 —— 可以幫助甚至替代人體實現各種功能，會對社會產生重大影響?；钚攒洸牧虾蛙洐C器也是當前多學科交叉研究的一大熱點。
現有的活性軟材料和軟機器包括介電橡膠 、水凝膠、形狀記憶高分子、液晶高彈體以及氣壓或液壓軟機器等，但是他們都有各自的局限。例如介電橡膠通常要千伏高電壓驅動，水凝膠、形狀記憶高分子、液晶高彈體響應速度一般較慢，而氣壓或液壓軟機器需要外加泵和導管。另外，如何制造可編程的、復雜機構的、對外界刺激做出智能響應的軟機器仍是本領域一大挑戰。
為解決上述局限和挑戰，麻省理工學院 (MIT) 趙選賀團隊首次提出打印可編程磁疇軟材料和軟機器，研究成果題為“Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials”，今天以封面文章形式在Nature線上發表 [Nature, 558, 274 (2018)]， https://www.nature.com/articles/s41586-018-0185-0。 |
 |
|
|
|
在這一工作中，趙選賀團隊設計了磁活性3D打印油墨，并用打印的方式控制復雜磁疇的分布和編程。新型油墨是一個含有釹鐵硼微粒和二氧化硅納米粉末的硅樹脂彈性膠體材料（圖一）。其中二氧化硅納米粉末與硅樹脂按特定比例的混合決定了油墨3D打印的可行性， 而釹鐵硼微粒賦予打印的軟材料和軟機器磁活性。趙選賀團隊創新地在3D打印機噴頭上外加一個可控電磁鐵，通過打印同時磁化釹鐵硼微粒來編輯磁疇在軟材料和軟機器中的分布
（圖一）。 |
 |
|
圖一: 3D打印可編程磁疇的混合硅樹脂材料的過程示意圖。 |
|
|
|
根據此3D打印方法，趙選賀團隊打印了一系列具有任意復雜結構和任意磁疇分布的軟機器
—— 從一維到三維 (圖二)。編程好的磁疇會根據外加磁場旋轉，使整個軟機器做出快速的復雜的形變。趙選賀團隊還針對含磁疇的軟材料，開發了可預測的物理模型和有限元仿真程序 (參見文章附錄：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0185-0)。在模型和仿真的指導下，趙選賀團隊可以在電腦中反復設計軟材料的結構、磁疇的分布以及外磁場加載；在確定設計方案后，一次打印成型。磁性智能軟機器的響應速度和功率密度是其他3D打印的活性軟材料和機器的10倍以上。 |
|
|
|
|
