软材料中的动态拓扑转换，例如，在不同的屈曲或褶皱状态之间切换，通常会带来特殊的声学、力学特性（Nature Reviews Materials 2017, 2, 17066），并且在自然界生物的生命行为中起着重要作用。为了使可变形结构实现可控拓扑变换，研究人员开发了基于化学溶剂、温度、pH 和光的控制策略（Nature 2021, 592, 386-391；Nature 2019, 573, 205-213；Nature 2017 , 546, 632-636)。 然而，目前报道的调节方法大多基于软材料的准静态调制，开发一种高度可控的动态调控策略十分具有挑战。这一策略可为跨尺度形态调节和多模态各向异性变形提供研究手段，有助于揭示自然界中复杂的动态变换机制，并进一步拓展可变形结构与软材料在工程领域的应用。
近期，香港中文大学机械与自动化工程学系张立教授团队与哈尔滨工业大学（深圳）金东东副教授联合香港城市大学张甲晨教授、中国科学技术大学王柳教授展示了基于磁弹性体的可变形软体材料，其具有由屈曲不稳定性编码的三维异质磁畴分布，用于实现软材料结构的动态调节和多模态各向异性形貌变换。所提出的策略以无模板方式形成具有三维磁畴分布的磁响应材料，在微流控、颗粒操控、软体机器人等领域中具有广阔的前景。相关研究成果以 “Dynamic morphological transformations in soft architected materials via buckling instability encoded heterogeneous magnetization” 为题发表于国际著名期刊《Nature Communications》。
3D 可变形结构由掺杂铁磁性颗粒的有机硅弹性体制成，如图 1 所示。磁性弹性体通过吸收各种有机溶剂（例如甲苯、乙酸乙酯和正己烷）而使它们扩散到弹性体网络中，从而引起自身结构的膨胀。当制备的磁性弹性体一端附着于亲水玻璃基板上并浸入到甲苯时，弹性体结构的溶胀行为因受到基板约束的影响，自发形成的轴向压缩力会使其产生屈曲变形。屈曲状态的形貌可以通过弹性体的几何参数、溶剂的吸收率、人工缺陷、连接类型等因素进行调整。对屈曲变形的磁性弹性体施加强脉冲磁场磁化，再浸泡于乙醇中收缩恢复至未变形状态，便可在磁弹性体中实现各向异性的三维磁畴分布。此时，在外加磁场的驱动下，基于磁弹性体的条带结构和晶格结构可以产生跨尺度与多模态的动态形变。
图 2：连接类型的影响和晶格结构的几何变换。a不同边界类型对屈曲构型的影响。b 磁刺激下波数(Wn)、屈曲结构的振幅和几何参数(L/H)之间的定量关系。c 磁刺激下变形结果的幅度与边界角（α）之间的定量关系。d 方形晶格结构的变换。e, f 六角晶格和交错晶格的变换。g，h 具有人工缺陷的方形和三角形晶格的变换。
这种基于屈曲不稳定性的磁编程方式无需模板辅助，可用于快速实现具有可编码异质磁化分布的软材料结构。结合强度、方向以及梯度可控的外加驱动磁场，能够实现远超准静态调控的多模态各向异性拓扑变换行为。为了阐明其调节机制，作者团队还开发了相应的理论模型与有限元模型，系统地研究了非独立软材料结构的溶剂和磁响应行为，与实验结果高度吻合。
在文章的最后，作者团队通过对驱动磁场的调制，使磁性弹性体发生动态形貌重构，从而产生包括定向流体、混合流体和涡流在内的一系列可控流体行为，并展示了其在流体操作、颗粒筛选、生物检测、软体机器人等领域的应用价值。
图 3：结构动态变换产生的动态流场。a, b 条带结构在不同磁场强度和旋转方向下诱导的流场。c 由两个具有对称形状变形结果的条带结构引起的流场。d, e 演示了利用多个条带结构产生的动态流场进行液滴操纵。
图 4：磁性弹性体转变的示例性应用。a 原位颗粒操纵的示意图和演示。b 用于灵敏度增强的生物医学分析的气溶胶液滴收集。c 使用磁弹性体的动态转换在低雷诺数下进行流体混合。d 由磁弹性体的动态几何变换驱动的无线游泳机器人。
总结而言，香港中文大学张立教授团队与哈尔滨工业大学（深圳）金东东副教授提出了一种新型的磁编程策略，以实现软材料的动态形态变换和多模式各向异性转变。利用屈曲不稳定现象的磁化编程方式，为今后发展可控三维磁畴分布的磁性软材料提供了一种简易有效的新方法。
这项研究得到香港研究资助局（RGC）、香港创新科技署（ITC）、中大天石机器人研究所、中大信兴高等工程研究所、中大-中国科学院深圳先进技术研究院机器人与智能系统联合实验室、创新香港研发平台（InnoHK）的医疗机器人创新技术中心（MRC）的支持。该工作得到香港城市大学张甲晨教授、中国科学技术大学王柳教授的大力合作和帮助。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35212-6
近五年来，张立教授课题组深耕于磁驱动集群机器人、软体机器人等领域，实现了从毫米、微米到纳米机器人及其集群行为的研究与应用，并在著名期刊上发表了多篇学术论文。部分研究成果如下：
[1] Sci. Adv., 2022, 8(40): eabq8573：港中大开发“磁控螺旋微机器人”治疗中耳炎患者中耳导管菌膜感染；https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8573
[2] Sci. Adv., 2022, 8(25): eabn8932：可编程的多功能模块化磁控软体机器人；https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8932
[3] Nature Machine Intelligence, 2022, 4(5): 480-493：深度学习实现微纳机器人集群的自主环境适应性巡航；https://www.nature.com/articles/s42256-022-00482-8
[4] Sci. Robot., 2021, 6(52): eabd2813：微型机器人和传统机器人结合实现体内狭小腔道的快速高精度递送；
[5] Sci. Adv., 2021, 7(9): eabe5914：多普勒超声引导下对流动血液环境中的纳米颗粒集群进行实时运动控制及定位的策略；
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe5914
[6] Nat Commun 10, 5631 (2019)：生物流体中微型机器人集群的主动生成和磁驱动；https://www.nature.com/articles/s41467-019-13576-6
[7] Sci. Adv., 2019, 5(1): eaau9650：基于荧光磁性孢子的微型机器人用于检测难辨梭菌毒素；https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aau9650
[8] Nat Commun 9, 3260 (2018)：具有超高纵横比的可重构带状磁性微型机器人集群；https://www.nature.com/articles/s41467-018-05749-6
香港中文大学张立教授团队主页：
http://www.cuhklizhanggroup.com/
香港城市大学张甲晨教授团队主页：
https://biorobotics.site/
中国科学技术大学王柳教授团队主页：
https://faculty.ustc.edu.cn/liuwang/
相关进展
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