可3D打印的新型磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料

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

由于具有和生物體應(yīng)激響應(yīng)類似的特點(diǎn)并克服了傳統(tǒng)堅(jiān)硬的機(jī)械變形機(jī)構(gòu)的缺陷，形狀可編程軟材料在軟體機(jī)器人、軟驅(qū)動(dòng)器、可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。常見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(zhàn)來自于其中的一些特性是互相對(duì)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(duì)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(bào)道了一種新型的集遠(yuǎn)程快速可逆驅(qū)動(dòng)、形狀記憶和可重構(gòu)變形等特性于一體的磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料。

結(jié)合3D打印技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
這項(xiàng)研究工作首次提出的磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料通過分別利用兩種磁性粒子用來加熱和驅(qū)動(dòng)，將遠(yuǎn)程快速可逆驅(qū)動(dòng)、形狀記憶和可重構(gòu)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(gòu)天線、時(shí)序驅(qū)動(dòng)設(shè)備、數(shù)字邏輯電路等應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

隨著先進(jìn)仿真優(yōu)化工具和3D/4D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)優(yōu)化與復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的發(fā)展，論文所演示的技術(shù)表明，新型磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料可作為廣泛應(yīng)用的材料，應(yīng)用于生物醫(yī)療器件、主動(dòng)超材料、可重構(gòu)柔性電子、智能軟體機(jī)器人等領(lǐng)域。

論文中報(bào)道的主要研究成果如下：
磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料將微米級(jí)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(diào)的特性，材料的楊氏模量在玻璃轉(zhuǎn)化溫度上下會(huì)發(fā)生劇烈變化，在25℃到85℃區(qū)間內(nèi)可以從3GPa變化為2MPa，為材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)低溫形狀記憶和高溫快速驅(qū)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(yuǎn)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(gòu)的快速可逆變形。

M-SMP磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)合材料的組成和原理示意圖。

當(dāng)材料溫度在室溫左右時(shí)，材料的剛度很大，無法被磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)；而當(dāng)溫度逐漸提高，材料的剛度逐漸降低，在同樣磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，變形量逐漸增大；當(dāng)停止加熱并保持住驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，材料的剛度隨著材料的冷卻又逐漸提高，當(dāng)材料降到室溫時(shí)，此時(shí)再撤去驅(qū)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(shè)計(jì)和磁化方向；（b）在高溫狀態(tài)下，抓手無法抓取鉛球；（c）在低溫狀態(tài)下，抓手可以抓起遠(yuǎn)重于自身重量的鉛球。

研究團(tuán)隊(duì)利用M-SMP材料的特性，展示了一系列有趣的應(yīng)用，包括可以抓取重物的軟抓手（ 載重比1113），可重構(gòu)天線，仿生花開放以及時(shí)序邏輯電路。

軟抓手由于材料可以有無限自由度的變形，可以自由適應(yīng)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(yán)重限制。而由M-SMP磁驅(qū)形狀記憶高分子復(fù)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(dāng)溫度較高時(shí)，抓手無法提起遠(yuǎn)重于抓手重量的鉛球，而當(dāng)抓手被降至室溫后，材料的模量提升了三個(gè)數(shù)量級(jí)，可以輕易提升起鉛球。

M-SMP可重構(gòu)天線。

（a）天線設(shè)計(jì)和磁化方向；（b）通過控制磁場(chǎng)來控制天線的形變；（c）天線的頻率特性圖；（d）天線的輻射特性圖。

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

實(shí)驗(yàn)花狀結(jié)構(gòu)有兩種類型的花瓣, 各個(gè)花瓣沿徑向向外磁化, 中心部分使用商用剛性樹脂與Formlabs Form2 3D打印機(jī)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Fe3O4顆粒對(duì)磁場(chǎng)的感應(yīng)加熱的，通過改變Fe3O4的含量可以實(shí)現(xiàn)加熱速率的不同，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)�；�于時(shí)序驅(qū)動(dòng)的原理，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并展示了一朵仿生花的逐層開放過程，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(nèi)層花瓣具有最低的Fe3O4含量，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的仿生花與實(shí)際花具有十分相似的盛開效果。

基于M-SMP磁驅(qū)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(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)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LED展示的時(shí)序邏輯電路效果圖。

除了對(duì)外界激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)的特性外，智能軟材料還具有潛在的集成驅(qū)動(dòng)和計(jì)算的能力，目前已經(jīng)有一些研究者嘗試通過軟材料實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)或數(shù)字邏輯電路功能的研究。M-SMP磁驅(qū)形狀記憶高分子可以被用來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)磁場(chǎng)作為一個(gè)D鎖存器的控制信號(hào)，加熱磁場(chǎng)用來控制D鎖存器的使能信號(hào)，當(dāng)材料溫度大于玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，材料變軟可以被外界磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)變形，認(rèn)為使能信號(hào)為1，反之材料模量很高無法被磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，認(rèn)為使能信號(hào)為0，通過合理控制加熱磁場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)信息的寫入和存儲(chǔ)。進(jìn)一步結(jié)合時(shí)序驅(qū)動(dòng)的原理，一個(gè)包含3個(gè)LED的電路被用來展示一個(gè)3位寄存器的功能（上圖d-f ），通過控制兩種磁場(chǎng)的輸入可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)LED的8種開斷狀態(tài)的任意切換和3位數(shù)字信息的存儲(chǔ)，該功能還可以很方便的擴(kuò)展到任意多位的存儲(chǔ)器。

文章來源：高分子科學(xué)前沿