俄亥俄州立大学&佐治亚理工学院 Adv. Mater.: 形状记忆与快速形变的完美结合 – 磁驱形状记忆高分子材料

【引言】

形状可编程软材料（Shape-programmable soft materials）是指具有感知环境激励（光、温度、湿度、电场、磁场等）能力并做出形变响应的一系列智能复合软材料，他们通常具有远程控制、快速可逆形变、形状记忆、可重构变形中的一种或者几种特性。由于具有和生物体应激响应类似的特点并克服了传统坚硬的机械变形机构的缺陷，形状可编程软材料在软体机器人、软驱动器、可穿戴设备、生物医疗设备等领域具有巨大的应用潜力。常见的形状可编程软材料包括液晶弹性体、介电弹性体、水凝胶、形状记忆高分子等， 但他们都具有各自的局限性，目前为止还没有一种材料可以集成以上提到的所有形变特性。其主要挑战来自于其中的一些特性是互相对立的，比如形状记忆要求材料在被记忆的变形状态下具有很大的刚度，但这同时又会对形变的速度产生极大的限制。

【成果简介】

近期，俄亥俄州立大学赵芮可教授团队和佐治亚理工学院齐航教授团队首次研发出了一种新型的集远程快速可逆驱动、形状记忆和可重构变形等特性于一体的磁驱形状记忆高分子复合材料（Magnetic shape memory polymer, M-SMP），研究成果“Magnetic Shape Memory Polymer with Integrated Multifunctional Shape Manipulations”于北京时间2019年12月9日以封面文章的形式在线发表于Advanced Materials上。该复合材料将微米级四氧化三铁（Fe₃O₄）和钕铁硼（NdFeB）颗粒加入基于聚丙烯酸酯的形状记忆高分子（SMP）基体中（图一）,材料基底提供了刚度可调的特性，材料的杨氏模量在玻璃转化温度上下会发生剧烈变化，在25^oC到85^oC区间内可以从3GPa变化为2MPa，为材料同时实现低温形状记忆和高温快速驱动提供了可能； 四氧化三铁颗粒在高频磁场作用下会产生很高的磁滞损耗，被用于远程加热材料；钕铁硼颗粒具有高剩磁和磁化特性可编辑的特点，在外部低频或者直流磁场的作用下可以使材料产生可重构的快速可逆变形。

【图文导读】

图一：M-SMP磁驱形状记忆高分子复合材料的组成和原理示意图。

材料的原理特性可以通过视频一中展示的悬臂梁结构得到更直观的了解，当材料温度在室温左右时，材料的刚度很大，无法被磁场驱动；而当温度逐渐提高，材料的刚度逐渐降低，在同样磁场的驱动下，变形量逐渐增大；当停止加热并保持住驱动磁场，材料的刚度随着材料的冷却又逐渐提高，当材料降到室温时，此时再撤去驱动磁场，材料可以保持住之前的形变。

视频一

利用M-SMP材料的特性，该团队展示了一系列有趣的应用，包括可以抓取重物的软抓手（ 载重比1113），可重构天线，仿生花开放以及时序逻辑电路。

软抓手由于材料可以有无限自由度的变形，可以自由适应被抓物体的形状，但由于材料本身刚度较低，载重比会被严重限制。而由M-SMP磁驱形状记忆高分子复合材料制成的软抓手可以完美的克服这个缺陷，如图二和视频二所示，当温度较高时，抓手无法提起远重于抓手重量的铅球，而当抓手被降至室温后，材料的模量提升了三个数量级，可以轻易提升起铅球。

图二：高载重比软抓手。

（a）抓手设计和磁化方向；（b）在高温状态下，抓手无法抓取铅球；（c）在低温状态下，抓手可以抓起远重于自身重量的铅球

视频二

M-SMP可重构天线可以通过改变天线的形状重构天线的谐振频率、工作带宽和辐射特性等，利用M-SMP磁驱形状记忆高分子复合材料形变和形状记忆特性，天线可以非常灵活的改变形状并在不耗费任何能量的情况下保持住新的形状（图三）。

图三：M-SMP可重构天线。

（a）天线设计和磁化方向；（b）通过控制磁场来控制天线的形变；（c）天线的频率特性图；（d）天线的辐射特性图

由于M-SMP材料是通过Fe₃O₄颗粒对磁场的感应加热的，通过改变Fe₃O₄的含量可以实现加热速率的不同，进而可以实现不同结构的时序驱动（具体内容见文章）。基于时序驱动的原理，该团队设计并展示了一朵仿生花的逐层开放过程，M-SMP仿生花由三层花瓣组成，最外层花瓣具有最高的Fe₃O₄含量，最内层花瓣具有最低的Fe₃O₄含量，经过精心设计的仿生花与实际花具有十分相似的盛开效果（视频三）。

视频三

除了对外界激励产生响应的特性外，智能软材料还具有潜在的集成驱动和计算的能力，目前已经有一些研究者尝试通过软材料实现机器学习或数字逻辑电路功能的研究。M-SMP磁驱形状记忆高分子可以被用来设计实现时序逻辑电路的一个基本器件D锁存器（图四a-c）。考虑驱动磁场作为一个D锁存器的控制信号，加热磁场用来控制D锁存器的使能信号，当材料温度大于玻璃转化温度时，材料变软可以被外界磁场驱动变形，认为使能信号为1，反之材料模量很高无法被磁场驱动，认为使能信号为0，通过合理控制加热磁场和驱动磁场就可以实现信息的写入和存储。进一步结合时序驱动的原理，一个包含3个LED的电路被用来展示一个3位寄存器的功能（图四d-f和视频四），通过控制两种磁场的输入可以实现3个LED的8种开断状态的任意切换和3位数字信息的存储，该功能还可以很方便的扩展到任意多位的存储器。

图四：基于M-SMP磁驱形状记忆高分子的D锁存器。

（a）D锁存器真值表；（b）原理示意图；（c）温度与使能信号的模数转换关系；（d）3D打印电路；（e）时序逻辑电路的磁场控制示意图；（f）通过LED展示的时序逻辑电路效果图（具体内容见文章）

视频四

【小结】

该工作首次提出的磁驱形状记忆高分子复合材料通过分别利用两种磁性粒子用来加热和驱动，将远程快速可逆驱动、形状记忆和可重构变形等特性创造性的集成于一种材料体系中，展示了在包括软抓手、可重构天线、时序驱动设备、数字逻辑电路等应用中的优势。同时，随着先进仿真优化工具和3D/4D打印等先进加工技术的发展，磁驱形状记忆高分子复合材料将在包括生物医疗器件、主动超材料、可重构柔性电子、智能软体机器人等领域提供了新的发展机遇。

【论文链接】

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

【团队介绍】

该工作由俄亥俄州立大学软智能材料实验室（Soft Intelligent Materials Laboratory，链接: http://zhaor.engineering.osu.edu）和佐治亚理工学院软机敏材料力学和3D打印实验室（Laboratory for Mechanics of Soft Active Materials and 3D Printing，链接: http://www.msm.gatech.edu/jerrys-page）共同完成。该工作的通讯作者为赵芮可教授和齐航教授，共同第一作者为俄亥俄州立大学博士后迮弃疾博士，佐治亚理工学院博士后匡晓博士， 以及俄亥俄州立大学博士生吴帅。文章的其他作者包括俄亥俄州立大学的张润东，佐治亚理工学院的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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