俄亥俄州立大學&佐治亞理工學院 Adv. Mater.: 形狀記憶與快速形變的完美結合 – 磁驅形狀記憶高分子材料

【引言】

形狀可編程軟材料（Shape-programmable?soft materials）是指具有感知環境激勵（光、溫度、濕度、電場、磁場等）能力并做出形變響應的一系列智能復合軟材料，他們通常具有遠程控制、快速可逆形變、形狀記憶、可重構變形中的一種或者幾種特性。由于具有和生物體應激響應類似的特點并克服了傳統堅硬的機械變形機構的缺陷，形狀可編程軟材料在軟體機器人、軟驅動器、可穿戴設備、生物醫療設備等領域具有巨大的應用潛力。常見的形狀可編程軟材料包括液晶彈性體、介電彈性體、水凝膠、形狀記憶高分子等， 但他們都具有各自的局限性，目前為止還沒有一種材料可以集成以上提到的所有形變特性。其主要挑戰來自于其中的一些特性是互相對立的，比如形狀記憶要求材料在被記憶的變形狀態下具有很大的剛度，但這同時又會對形變的速度產生極大的限制。

【成果簡介】

近期，俄亥俄州立大學趙芮可教授團隊和佐治亞理工學院齊航教授團隊首次研發出了一種新型的集遠程快速可逆驅動、形狀記憶和可重構變形等特性于一體的磁驅形狀記憶高分子復合材料（Magnetic?shape memory polymer, M-SMP），研究成果“Magnetic?Shape?Memory?Polymer?with Integrated Multifunctional Shape Manipulations”于北京時間2019年12月9日以封面文章的形式在線發表于Advanced?Materials上。該復合材料將微米級四氧化三鐵（Fe₃O₄）和釹鐵硼（NdFeB）顆粒加入基于聚丙烯酸酯的形狀記憶高分子（SMP）基體中（圖一）,材料基底提供了剛度可調的特性，材料的楊氏模量在玻璃轉化溫度上下會發生劇烈變化，在25^oC到85^oC區間內可以從3GPa變化為2MPa，為材料同時實現低溫形狀記憶和高溫快速驅動提供了可能；?四氧化三鐵顆粒在高頻磁場作用下會產生很高的磁滯損耗，被用于遠程加熱材料；釹鐵硼顆粒具有高剩磁和磁化特性可編輯的特點，在外部低頻或者直流磁場的作用下可以使材料產生可重構的快速可逆變形。

【圖文導讀】

圖一：M-SMP磁驅形狀記憶高分子復合材料的組成和原理示意圖。

材料的原理特性可以通過視頻一中展示的懸臂梁結構得到更直觀的了解，當材料溫度在室溫左右時，材料的剛度很大，無法被磁場驅動；而當溫度逐漸提高，材料的剛度逐漸降低，在同樣磁場的驅動下，變形量逐漸增大；當停止加熱并保持住驅動磁場，材料的剛度隨著材料的冷卻又逐漸提高，當材料降到室溫時，此時再撤去驅動磁場，材料可以保持住之前的形變。

視頻一

利用M-SMP材料的特性，該團隊展示了一系列有趣的應用，包括可以抓取重物的軟抓手（ 載重比1113），可重構天線，仿生花開放以及時序邏輯電路。

軟抓手由于材料可以有無限自由度的變形，可以自由適應被抓物體的形狀，但由于材料本身剛度較低，載重比會被嚴重限制。而由M-SMP磁驅形狀記憶高分子復合材料制成的軟抓手可以完美的克服這個缺陷，如圖二和視頻二所示，當溫度較高時，抓手無法提起遠重于抓手重量的鉛球，而當抓手被降至室溫后，材料的模量提升了三個數量級，可以輕易提升起鉛球。

圖二：高載重比軟抓手。

（a）抓手設計和磁化方向；（b）在高溫狀態下，抓手無法抓取鉛球；（c）在低溫狀態下，抓手可以抓起遠重于自身重量的鉛球

視頻二

M-SMP可重構天線可以通過改變天線的形狀重構天線的諧振頻率、工作帶寬和輻射特性等，利用M-SMP磁驅形狀記憶高分子復合材料形變和形狀記憶特性，天線可以非常靈活的改變形狀并在不耗費任何能量的情況下保持住新的形狀（圖三）。

圖三：M-SMP可重構天線。

（a）天線設計和磁化方向；（b）通過控制磁場來控制天線的形變；（c）天線的頻率特性圖；（d）天線的輻射特性圖

由于M-SMP材料是通過Fe₃O₄顆粒對磁場的感應加熱的，通過改變Fe₃O₄的含量可以實現加熱速率的不同，進而可以實現不同結構的時序驅動（具體內容見文章）。基于時序驅動的原理，該團隊設計并展示了一朵仿生花的逐層開放過程，M-SMP仿生花由三層花瓣組成，最外層花瓣具有最高的Fe₃O₄含量，最內層花瓣具有最低的Fe₃O₄含量，經過精心設計的仿生花與實際花具有十分相似的盛開效果（視頻三）。

視頻三

除了對外界激勵產生響應的特性外，智能軟材料還具有潛在的集成驅動和計算的能力，目前已經有一些研究者嘗試通過軟材料實現機器學習或數字邏輯電路功能的研究。M-SMP磁驅形狀記憶高分子可以被用來設計實現時序邏輯電路的一個基本器件D鎖存器（圖四a-c）。考慮驅動磁場作為一個D鎖存器的控制信號，加熱磁場用來控制D鎖存器的使能信號，當材料溫度大于玻璃轉化溫度時，材料變軟可以被外界磁場驅動變形，認為使能信號為1，反之材料模量很高無法被磁場驅動，認為使能信號為0，通過合理控制加熱磁場和驅動磁場就可以實現信息的寫入和存儲。進一步結合時序驅動的原理，一個包含3個LED的電路被用來展示一個3位寄存器的功能（圖四d-f和視頻四），通過控制兩種磁場的輸入可以實現3個LED的8種開斷狀態的任意切換和3位數字信息的存儲，該功能還可以很方便的擴展到任意多位的存儲器。

圖四：基于M-SMP磁驅形狀記憶高分子的D鎖存器。

（a）D鎖存器真值表；（b）原理示意圖；（c）溫度與使能信號的模數轉換關系；（d）3D打印電路；（e）時序邏輯電路的磁場控制示意圖；（f）通過LED展示的時序邏輯電路效果圖（具體內容見文章）

視頻四

【小結】

該工作首次提出的磁驅形狀記憶高分子復合材料通過分別利用兩種磁性粒子用來加熱和驅動，將遠程快速可逆驅動、形狀記憶和可重構變形等特性創造性的集成于一種材料體系中，展示了在包括軟抓手、可重構天線、時序驅動設備、數字邏輯電路等應用中的優勢。同時，隨著先進仿真優化工具和3D/4D打印等先進加工技術的發展，磁驅形狀記憶高分子復合材料將在包括生物醫療器件、主動超材料、可重構柔性電子、智能軟體機器人等領域提供了新的發展機遇。

【論文鏈接】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906657

【團隊介紹】

該工作由俄亥俄州立大學軟智能材料實驗室（Soft?Intelligent Materials Laboratory，鏈接:?http://zhaor.engineering.osu.edu）和佐治亞理工學院軟機敏材料力學和3D打印實驗室（Laboratory for Mechanics of Soft Active Materials and 3D Printing，鏈接: http://www.msm.gatech.edu/jerrys-page）共同完成。該工作的通訊作者為趙芮可教授和齊航教授，共同第一作者為俄亥俄州立大學博士后迮棄疾博士，佐治亞理工學院博士后匡曉博士， 以及俄亥俄州立大學博士生吳帥。文章的其他作者包括俄亥俄州立大學的張潤東，佐治亞理工學院的Janet?Wong, S. Macrae Montgomery。

【招生信息】

The Soft Intelligent Materials Laboratory (https://zhaor.engineering.osu.edu/) directed by Prof. Ruike Zhao is recruiting highly-motivated applicants to fill one Ph.D. position in either Fall 2020 or Spring 2021 at The Ohio State University in Mechanical Engineering.

Candidate should have a degree in solid mechanics, mechanical, materials, or other related engineering fields at the time of enrollment. A strong background in solid mechanics, finite element analysis, material synthesis, and/or advanced manufacturing is desired. Candidates with master’s degree are preferred.

If interested, contact Prof. Ruike Zhao directly at?zhao.2885@osu.edu. Please include your CV along with an academic transcript, a brief description of prior research experiences and how your interests align with one of the following topics, (1) Design and fabrication of functional soft composites, (2) Mechanics-guided material design. Shortlisted candidates will be contacted for an interview.

本文由作者投稿。

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