一、研究背景

智能材料作為未來(lái)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(shí)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(shí)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(diǎn)。此外，如何通過(guò)簡(jiǎn)單、高效的技術(shù)在不破壞材料整體結(jié)構(gòu)的情況下，實(shí)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(shí)時(shí)變形，而現(xiàn)有材料無(wú)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(chǎng)景的需求。

二、創(chuàng)新研究

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米工程實(shí)驗(yàn)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(guò)激光與磁場(chǎng)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(wèn)題。課題組通過(guò)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(jì)了一種新型磁性機(jī)器人。該機(jī)器人能夠在磁場(chǎng)和激光的共同作用下，進(jìn)行磁疇圖案化重編碼，實(shí)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(guò)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(guò)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(chǎng)的引導(dǎo)下重新排列，從而實(shí)現(xiàn)磁疇重編碼。這一過(guò)程確保了即使撤去外部磁場(chǎng)，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(chǎng)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(guò)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(chǎng)；Ba：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

通過(guò)精細(xì)編碼的磁疇方向控制，機(jī)器人能夠在磁場(chǎng)作用下完成多種形態(tài)轉(zhuǎn)換。如圖2所示，在二維長(zhǎng)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(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下沿水平方向自由滾動(dòng)。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器人能夠在不同地形上運(yùn)動(dòng)，如在紙面上滾動(dòng)、攀爬斜坡、跨越狹縫等，還能在變化的磁場(chǎng)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(yùn)等復(fù)雜任務(wù)。

圖2 滾動(dòng)機(jī)器人。（a）滾動(dòng)機(jī)器人的編碼、變形、形狀鎖定過(guò)程；（b）機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下滾動(dòng)過(guò)程；（c）機(jī)器人在不同地形運(yùn)動(dòng)以及變形后承載過(guò)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(guò)程；（b）載物機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下的定向運(yùn)輸過(guò)程；（c）載物機(jī)器人貨物的釋放過(guò)程

同時(shí)，在RM-SMC長(zhǎng)條變形時(shí)、通過(guò)改變外部磁場(chǎng)的方向，可以得到螺旋形狀的機(jī)器人，可在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)，在10 Hz的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(guò)程；（b）螺旋機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下在水中驅(qū)動(dòng)過(guò)程

三、總結(jié)

課題組實(shí)現(xiàn)了磁性材料在激光和磁場(chǎng)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(wú)法保持形狀的問(wèn)題，還通過(guò)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(guò)采用這種方法，機(jī)器人能夠在多種復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)、形態(tài)變換與任務(wù)執(zhí)行，具備廣泛的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)工作為軟機(jī)器人領(lǐng)域提供了一種新的設(shè)計(jì)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(lái)生物醫(yī)學(xué)、微納操作、貨物運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化材料與工藝，該研究有望推動(dòng)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(dòng)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(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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