一、研究背景

智能材料作為未來科技的關(guān)鍵組成部分，在許多領(lǐng)域中展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)的磁響應(yīng)材料通常受到固定磁各向異性和單一響應(yīng)模式的限制，難以滿足復(fù)雜環(huán)境和多功能任務(wù)的需求。例如，在醫(yī)療手術(shù)中，微型軟體機(jī)器人需要在狹窄空間中變形以適應(yīng)復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，同時還需承擔(dān)精準(zhǔn)遞送藥物等多種功能。現(xiàn)有磁響應(yīng)材料的局限性使得這些需求難以全面實現(xiàn)，因此開發(fā)具有可編程性和多響應(yīng)能力的新型磁性材料成為研究熱點。此外，如何通過簡單、高效的技術(shù)在不破壞材料整體結(jié)構(gòu)的情況下，實現(xiàn)多次重復(fù)編程，仍是當(dāng)前智能材料研究中面臨的重大挑戰(zhàn)。以醫(yī)療手術(shù)為例，微創(chuàng)軟體機(jī)器人要求材料在狹小空間中進(jìn)行實時變形，而現(xiàn)有材料無法提供快速的響應(yīng)速度和高精度的形狀控制能力。因此，亟需一種能夠?qū)崿F(xiàn)多功能響應(yīng)與編程的材料系統(tǒng)，以滿足復(fù)雜應(yīng)用場景的需求。

二、創(chuàng)新研究

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米工程實驗室李家文副教授課題組提出了一種基于磁疇可重編碼的形狀記憶復(fù)合材料（RM-SMC）的磁性機(jī)器人系統(tǒng)，通過激光與磁場的協(xié)同作用，解決了傳統(tǒng)磁性軟機(jī)器人變形能力受限、承載能力較弱的問題。課題組通過結(jié)合形狀記憶聚合物的可變剛度與磁性微囊的可重編碼特性，設(shè)計了一種新型磁性機(jī)器人。該機(jī)器人能夠在磁場和激光的共同作用下，進(jìn)行磁疇圖案化重編碼，實現(xiàn)形態(tài)可重構(gòu)和剛度可調(diào)，進(jìn)而突破了現(xiàn)有磁性軟機(jī)器人在形態(tài)改變和負(fù)載能力方面的瓶頸。

如圖1所示，研究過程中使用近紅外激光精確調(diào)控RM-SMC薄膜內(nèi)部的磁性微囊，通過激光加熱至微囊的相變溫度，激活材料內(nèi)部的磁性顆粒并使其在外部磁場的引導(dǎo)下重新排列，從而實現(xiàn)磁疇重編碼。這一過程確保了即使撤去外部磁場，材料的磁疇編碼仍能保持穩(wěn)定，從而保證機(jī)器人在不同的磁場作用下能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)的變形。此外，RM-SMC材料的形狀記憶特性使得機(jī)器人能夠在加熱軟化后發(fā)生復(fù)雜的三維變形，并在冷卻后鎖定其形狀，從而具備形態(tài)保持能力。

圖1 RM-SMC機(jī)器人磁疇重編碼及變形原理。（a）RM-SMC機(jī)器人重編碼、加熱變軟、磁致變形和形狀保持過程；（b）磁性微囊中磁性顆粒偏轉(zhuǎn)示意圖；（c）機(jī)器人基質(zhì)變形、形狀鎖定示意圖。Bp：旋轉(zhuǎn)磁場；Ba：旋轉(zhuǎn)磁場

通過精細(xì)編碼的磁疇方向控制，機(jī)器人能夠在磁場作用下完成多種形態(tài)轉(zhuǎn)換。如圖2所示，在二維長條結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，激光加熱使得結(jié)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)閳A筒形，并在旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動下沿水平方向自由滾動。進(jìn)一步的實驗表明，機(jī)器人能夠在不同地形上運動，如在紙面上滾動、攀爬斜坡、跨越狹縫等，還能在變化的磁場下保持穩(wěn)定的形態(tài)。此外，如圖3所示，機(jī)器人具備優(yōu)異的負(fù)載能力，能夠承載比自身重143倍的物體，完成貨物搬運等復(fù)雜任務(wù)。

圖2 滾動機(jī)器人。（a）滾動機(jī)器人的編碼、變形、形狀鎖定過程；（b）機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場下滾動過程；（c）機(jī)器人在不同地形運動以及變形后承載過程

圖3 載物機(jī)器人。（a）載物機(jī)器人的貨物放置、磁驅(qū)變形、貨物鎖定和貨物釋放過程；（b）載物機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場下的定向運輸過程；（c）載物機(jī)器人貨物的釋放過程

同時，在RM-SMC長條變形時、通過改變外部磁場的方向，可以得到螺旋形狀的機(jī)器人，可在旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動下螺旋前進(jìn)。如圖4所示，將RM-SMC螺旋機(jī)器人放置在裝滿水的液槽中進(jìn)行驅(qū)動，在10 Hz的旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動下，機(jī)器人的運動速度可達(dá)8.33 mm/s。

圖4 螺旋機(jī)器人。（a）螺旋機(jī)器人的加熱磁致變形和形狀鎖定過程；（b）螺旋機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場下在水中驅(qū)動過程

三、總結(jié)

課題組實現(xiàn)了磁性材料在激光和磁場雙重作用下的精確磁疇重編碼與形態(tài)變形，不僅解決了現(xiàn)有磁性軟機(jī)器人形變后無法保持形狀的問題，還通過調(diào)節(jié)材料剛度，擴(kuò)展了機(jī)器人在不同環(huán)境下的適用性。通過采用這種方法，機(jī)器人能夠在多種復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)自主運動、形態(tài)變換與任務(wù)執(zhí)行，具備廣泛的應(yīng)用潛力。這項工作為軟機(jī)器人領(lǐng)域提供了一種新的設(shè)計思路，不僅能顯著提高機(jī)器人的形態(tài)變換能力和承載能力，還為未來生物醫(yī)學(xué)、微納操作、貨物運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過進(jìn)一步優(yōu)化材料與工藝，該研究有望推動更多高性能自適應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)，并為智能機(jī)器人在復(fù)雜、動態(tài)環(huán)境中的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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