中山大学蒋乐伦教授团队和卡内基梅隆大学Carmel Majidi教授 Matter：磁控固-液相变材料

2023-02-02 来源：高分子科技

微型机器在各个领域显示出巨大的潜力，例如药物输送、实验室/芯片器官、和微电子学。与由光、电场、pH和其他刺激驱动的微型机器相比，可编程磁场驱动系统显示出精确可控和无线操控的优势。最近，研究人员在提高磁控机器人的移动性、可控性和形态适应性方面做了许多工作。一类常见的固态磁控软体机器人由软聚合物（如弹性体和水凝胶等）与嵌入的磁性颗粒组成，但是这些柔性磁控材料很难通过非常狭窄的空间。磁控液体机器人在狭窄空间表现出更大的形态适应性，然而由于液体的低强度，磁控液体机器人负载能力有限。因此，开发固-液相可切换的可编程变形、多模态运动的磁控机器人具有重要意义。

图1 磁控固-液相变材料液-固相变原理图及应用

受到终结者液态金属机器人和自然界中的海参的变刚度和固液切换特性，中山大学蒋乐伦教授团队、浙江大学潘程枫研究员、以及卡内基梅隆大学Carmel Majidi教授开发了一种磁控固-液相变材料，由嵌入液态金属镓中的磁性钕铁硼微粒组成（如图1）。该团队使用的液态金属熔点大约30℃，略高于室温。通过交变磁场可以无线的快速加热该材料。室温下，该材料可以重新冷却凝固（如图2a）。通过这种方式，该材料独特地结合了固态材料的高机械强度（强度：21.2 MPa，刚度：1.98 GPa）、高负载能力（能够负载10000倍）和快速运动能力（移动速度超过1.5 m/s）（如图2c），和液态材料的优异形态适应性（例如伸长、分裂、合并）（如图2d）。为了展示磁控固-液相变材料的独特功能，演示了用于组装修复电路和通用螺钉负载重物，以及用于模型胃中的清除异物和递送药物的过程。该工作以“Magnetoactive Liquid-Solid Phase Transitional Matter”为题发表在Cell姊妹刊《Matter》上。文章共同第一作者是中山大学大学博士生王清源和浙江大学研究员潘程枫。中山大学蒋乐伦教授和卡内基梅隆大学Carmel Majidi教授为文章共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委和广东省自然科学基金委等的支持。

图2. 磁控固-液相变材料表征。(a) 在加热和冷却过程中，MPTM随时间的温度变化。插图为对应的红外图像。(b) 在固态和液态下MPTM的磁滞回线。(c) 在不同驱动速度下，MPTM的跟随速度。(d) 不同体积的MPTM的变形能力(用a/b表示长径比)

Video S1磁控机器人通过液化、穿过栏杆并使用放置在栏杆外的模具重新凝固来逃离牢笼

Video S2在封闭空间中，磁控机器人组装修复电路和组装零件（负载10 kg）

Video S3在液体环境中，机器人清除异物（绿色圆球）和释放模型药物的演示

近两年，蒋乐伦教授课题组致力于磁控机器人研究工作，提出了磁控折纸机器人 (Nat. Commun. 2022, 13, 4177)，4D打印仿生磁控软体机器人( ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 4174)，自供能和自感知的仿蛞蝓磁控机器人(Nano Energy 2022, 99, 107367)，变刚度磁流变体磁控机器人( ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 30007)等。蒋乐伦教授课题组网站https://bme.sysu.edu.cn/bmejiangll/。浙江大学潘程枫研究员主要从事柔性电子材料-结构一体化设计与成形制造技术的研究，包括柔性电子材料与设备，柔性电子皮肤，软体机器人等。最近还参与了可逆性伸缩变形和按需运动的软体机器人研究(Adv. Intell. Syst. 2022, 4, 2200080)。卡内基梅隆大学Carmel Majidi教授致力于研究用于人机交互的机械和电子产品，特别是软体机器人开发。Carmel Majidi教授课题组网站http://sml.me.cmu.edu/。

原文链接： https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00693-2#%20

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（责任编辑：xu）

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