今日Nature封面: MIT赵选贺团队打印磁性智能软机器

发布者: 发布时间:2018-06-28 浏览次数:1248

生命的一个重要特征是对外界的刺激做出智能的响应。制造具有激励响应功能的材料和机器 —— 特别是和生物体相似的活性软材料和软机器 —— 可以帮助甚至替代人体实现各种功能,会对社会产生重大影响。活性软材料和软机器也是当前多学科交叉研究的一大热点。

 

现有的活性软材料和软机器包括介电橡胶 、水凝胶、形状记忆高分子、液晶高弹体以及气压或液压软机器等,但是他们都有各自的局限。例如介电橡胶通常要千伏高电压驱动,水凝胶、形状记忆高分子、液晶高弹体响应速度一般较慢,而气压或液压软机器需要外加泵和导管。另外,如何制造可编程的、复杂机构的、对外界刺激做出智能响应的软机器仍是本领域一大挑战。


为解决上述局限和挑战,麻省理工学院 (MIT) 赵选贺团队首次提出打印可编程磁畴软材料和软机器,研究成果题为“Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials”,今天以封面文章形式在Nature线上发表 [Nature, 558, 274 (2018)](参见结尾链接)




在这一工作中,赵选贺团队设计了磁活性3D打印油墨,并用打印的方式控制复杂磁畴的分布和编程。新型油墨是一个含有钕铁硼微粒和二氧化硅纳米粉末的硅树脂弹性胶体材料(图一)。其中二氧化硅纳米粉末与硅树脂按特定比例的混合决定了油墨3D打印的可行性, 而钕铁硼微粒赋予打印的软材料和软机器磁活性。赵选贺团队创新地在3D打印机喷头上外加一个可控电磁铁,通过打印同时磁化钕铁硼微粒来编辑磁畴在软材料和软机器中的分布 (图一)。

图一: 3D打印可编程磁畴的混合硅树脂材料的过程示意图。

根据此3D打印方法,赵选贺团队打印了一系列具有任意复杂结构和任意磁畴分布的软机器 —— 从一维到三维 (图二)。编程好的磁畴会根据外加磁场旋转,使整个软机器做出快速的复杂的形变。赵选贺团队还针对含磁畴的软材料,开发了可预测的物理模型和有限元仿真程序 (参见文章附录)。在模型和仿真的指导下,赵选贺团队可以在电脑中反复设计软材料的结构、磁畴的分布以及外磁场加载;在确定设计方案后,一次打印成型。磁性智能软机器的响应速度和功率密度是其他3D打印的活性软材料和机器的10倍以上。

 【Nature, 558, 274 (2018)
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