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  形變可編程軟材料（programmable shape-changing soft materials）是指能在外界激勵（如溫度，光照，電場及磁場等）的作用下發生預定形變響應的一類智能復合材料。其中，由彈性基體和鑲嵌其中的磁性顆粒組成的磁驅軟材料（magnetic soft materials, MSM）由于具有在外磁場下進行無接觸操控、快速可逆形變、可控運動的特性，故在軟體機器人、軟驅動器、生物醫療設備等領域展現出廣闊的應用前景。而新近開發的磁驅形狀記憶高分子復合材料（Magnetic shape memory polymer, M-SMP）更將遠程快速可逆驅動、形狀記憶及可重構變形等特性集于一身，功能性得到很大提升（形狀記憶與快速形變的完美結合《Adv. Mater.》封面 | 俄亥俄州立大學和佐治亞理工學院合作開發新型磁驅形狀記憶高分子材料）。但目前MSM和M-SMP的相關研究多僅限于自身，且兩者獨自存在時所能獲得變形模式較為單一，而多功能器件往往要求材料能夠具備多種不同的變形。

  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通過磁性多材料墨水直寫（Magnetic Multi-material Direct Ink Writing, M³DIW）3D打印技術首次將MSM和M-SMP整合到同一系統中，設計出了具有豐富變形模式的磁致動器，并實現了同時具備可變符號泊松比和可切換力學行為（拉壓彎剪）的磁活性超材料（magnetic active metamaterials）。該研究成果以“Magnetic Multimaterial Printing for Multimodal Shape Transformation with Tunable Properties and Shiftable Mechanical Behaviors”在線發表于ACS Applied Materials & Interfaces。

  如圖一所示，本研究中3D打印使用的M-SMP和MSM墨水是將微米級釹鐵硼顆粒加入不同配比的聚丙烯酸酯基體中得到的。M-SMP的玻璃轉化溫度約66℃，其楊氏模量在玻璃轉化溫度上下發生劇烈變化，從22℃到105℃可從1GPa變為2MPa，從而實現M-SMP的常溫形狀記憶和高溫快速驅動。而MSM的玻璃轉化溫度低于0°C，從22℃到105℃其模量僅從6MPa變為1MPa，所以在常溫和高溫下都可快速驅動。為保證打印結構能在一定時間內保持原有形狀，墨水中還加入了一定量的納米級二氧化硅顆粒以調節粘度。在打印過程中，墨水中的釹鐵硼顆粒被套在打印針頭處的磁環引導為統一的取向，從而可以通過打印路徑控制打印的磁極方向。另外，考慮到快速成型的需求，本研究采用紫外光固化打印的結構。

  圖一(b)通過一個簡單的四段式帶狀構型展示了M-SMP/MSM復合結構多變形模式的工作機理。起初在室溫下，M-SMP剛度很大，只有MSM能夠被磁場驅動；而提升至高溫時，M-SMP剛度降低，M-SMP和MSM均可被驅動。如此得到變形模式1和2。隨后在維持磁場的同時降回室溫，再去掉磁場，M-SMP由于形狀記憶固定在已變形狀態，而MSM恢復原狀，獲得模式3；最后施加反向磁場，得到模式4。

圖一：M³DIW磁性多材料墨水直寫原理、墨水組成、M-SMP/MSM復合材料工作機制示意圖。

  利用M-SMP/MSM復合結構的這種特性，該團隊展示了一系列有趣的應用，包括具有豐富變形模式的磁致動器，以及同時具備可變符號泊松比和可切換力學行為（拉壓彎剪）的磁活性超材料。

  圖二展示了兩種不同設計的磁致動器。在圖二左側的星型設計中，M-SMP部分和MSM部分的變形相對獨立；而右側的方形設計中，兩部分通過相互作用獲得更復雜的形態。另外，通過改變所有磁場的方向，還能得到對稱的另一組四個變形模式。而這些變形模式不僅能通過一定的磁場/溫度加載路徑相互轉化，部分變形模式還能無需磁場即可維持，大大擴展了設計自由度。

圖二：具有多種變形模式的磁致動器。

  目前的活性超材料的力學行為通常只有軸向的擴張/收縮，且泊松比符號不變。而該團隊利用M-SMP/MSM復合結構的特性，設計出了除軸向變形外，還可自由切換為剪切或彎曲變形，且泊松比可變號的新型磁活性超材料。其中一種手性設計如圖三所示，其在常溫下表現為剪切變形，泊松比為正，且磁場向上時為豎向剪切，向下時為水平剪切；而在高溫下切換為軸向變形，泊松比為負，磁場向上時整體擴張，磁場向下時整體收縮。

圖三：具有可變號泊松比及可切換力學行為（拉、壓、剪切）的磁活性超材料。

  另一種沙漏形設計如圖四所示，在常溫下表現為軸向變形，泊松比為負，且磁場向上時擴張，向下時收縮。而在高溫下，當磁場向上時，仍為軸向變形，但泊松比可隨磁場增大而由負變正；當磁場向下時，則切換為彎曲變形，且泊松比為負。

  這些磁活性超材料雖然幾何外形較為常規，但通過合理設計材料分布和磁化方向，可以獲得超常規的物理特性，體現了熱-磁耦合控制下M-SMP/MSM復合結構在變形模式上極大的設計自由度。而這些能夠靈活調控的變形屬性必然伴隨著其他多種可調控物理性質，如整體剛度、各向異性、孔隙度、聲學帶隙等，是未來相關研究的理想載體。

圖四：具有可變符號泊松比及可切換力學行為（拉、壓、彎曲）的磁活性超材料。

  該工作首次通過磁性多材料墨水直寫技術將兩種不同的磁性復合材料集成到同一體系中，展示了具有多種變形模式的磁致動器，并實現了同時具備可變符號泊松比和可切換力學行為的磁活性超材料，為將來基于多物理場響應/多功能磁性材料的可變形結構、生物醫療器件、軟體智能機器人等方面的研究提供了新的發展機遇。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c13863

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俄亥俄州立大學的趙芮可教授，共同第一作者為俄亥俄州立大學博士生馬春平與博士生吳帥，文章的其他作者包括俄亥俄州立大學的博士后迮棄疾博士與張潤東，佐治亞理工學院的博士后匡曉博士與齊航教授。