Advanced Materials: 磁驱形状记忆高分子材料 – 形状记忆与快速形变的完美结合

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。

为解决上述局限和挑战,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),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(配图),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25oC到85oC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。

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。M-SMP软抓手不仅可以在高温时实现软材料自由适应被抓物体的形状的优点,还可以完美的克服刚度较低的缺陷,在降至室温后,材料的模量提升三个数量级,可以轻易千倍于自身重量的物体。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,并利用M-SMP形变和形状记忆特性,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。除此之外,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,通过控制两种磁场的输入可以实现3位数字信息的存储,并可以很方便的扩展到任意多位的存储器,开发了智能软材料潜在的集成驱动和计算的能力。 本研究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,研究者相信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。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201906657)上,同时被选为当期Front Cover做重点推荐,并被NSF news, OSU news, GT news等媒体报道。