微尺度上定向磁化、隨形組裝的微型永磁鐵在軟體機器人、微流控系統(tǒng)和柔性可穿戴電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。然而，微型永磁鐵的局部磁化調(diào)制和隨形組裝仍面臨顯著挑戰(zhàn)：一般來說，需要施加局部強磁場（~2 T）或高溫（~309 ℃）克服微磁鐵本征高矯頑力，而在微尺度下精準(zhǔn)調(diào)整每個微磁鐵組件的隨形組裝朝向則受到空間精度和組裝效率較低的技術(shù)限制。以上挑戰(zhàn)嚴(yán)重限制了磁性器件的發(fā)展。
近日，香港大學(xué)、香港理工大學(xué)、南方科技大學(xué)聯(lián)合研究團隊從趨磁細(xì)菌的線性結(jié)構(gòu)得到靈感，開發(fā)了線性磁鐵微單元選擇性磁化調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)了高精度磁場調(diào)制和高效隨形組裝，研究論文以“Linear magnet with fluid-solid-switchable cells for flexible devices”為題發(fā)表在Nature Communications。香港大學(xué)博士生鄧啟宇為第一作者，香港理工大學(xué)王立秋講席教授、香港大學(xué)尹曉波教授、香港大學(xué)李威博士（現(xiàn)上海交通大學(xué)副教授）和南方科技大學(xué)唐欣副教授為論文的通訊作者。
該研究受趨磁細(xì)菌（Magnetospirillum magneticum）的線性結(jié)構(gòu)啟發(fā)，開發(fā)了一種線性磁鐵（Linear magnet），該磁鐵由水凝膠基體和離散分布的磁性微單元組成。微單元內(nèi)含釹鐵硼磁性微顆粒（~5 μm）和相變材料。該研究利用局部激光加熱（約40 ℃）觸發(fā)相變材料熔化，解除顆粒界面約束。目標(biāo)單元的磁化方向從而得以在弱磁場（≤30?mT）輔助下，在三維空間中被任意重新定向，克服了高矯頑力磁鐵磁化調(diào)制的苛刻條件。線性磁鐵每個單元能夠以高分辨率（~150?μm）獨立編程，并具備優(yōu)良的拉伸性能，支持隨形構(gòu)建圖案化磁場，適用于軟體驅(qū)動、柔性傳感和可穿戴信息編碼等多種應(yīng)用（圖1）。
圖1 線性磁鐵的組成、工作原理及性能
該研究采用微流控技術(shù)實現(xiàn)了高通量（>0.5 m·min?1）、高精度線性磁鐵一體化制造。線性磁鐵由水凝膠包裹磁性微單元組成，通過調(diào)節(jié)激光，可實現(xiàn)每個微單元磁化方向獨立調(diào)制。在外界磁場驅(qū)動下，該磁鐵還可以實現(xiàn)可控形變（圖2）。
圖2 線性磁鐵的制造方法、磁化調(diào)制原理和效果
該研究展示了線性磁鐵在信息編碼、隨形構(gòu)建可編程磁性表面與智能可穿戴器件中的多功能應(yīng)用。該線性磁鐵的每個磁性微單元可以獨立編程，可在微米尺度上重寫并記錄字符（如字符“H”、“K”、“U”的ASCII碼）。借助其隨形組裝能力，線性磁鐵可以構(gòu)建復(fù)雜的二維可編程磁表面。也可以整合進織物中形成信息可重寫的磁性可穿戴設(shè)備，用于在智能穿戴設(shè)備上記錄密碼等信息。該技術(shù)為構(gòu)建可重編程磁功能器件提供了新路徑（圖3）。
圖3 線性磁鐵的隨形組裝、調(diào)制及其在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用
線性磁鐵還適用于多種微型機器人系統(tǒng)。通過激光誘導(dǎo)磁化調(diào)制，線性磁鐵可在原位動態(tài)調(diào)節(jié)磁響應(yīng)行為。除此之外，該線性磁鐵還具有離子導(dǎo)電能力，結(jié)合其內(nèi)部溫度敏感的相變材料，可以用于溫度報警器等應(yīng)用。基于逐單元磁化編程，線性磁鐵還可實現(xiàn)復(fù)雜磁控形變。由于其獨特的類纖維形狀，該磁鐵還可在類血管狹窄通道中清除障礙。其水凝膠外殼還能夠被可控溶解，實現(xiàn)纖維態(tài)與粒子群的可逆切換，展現(xiàn)其在微創(chuàng)醫(yī)療與藥物遞送中的多場景適應(yīng)性（圖4）。
圖4 基于線性磁鐵開發(fā)的多功能柔性機器人系統(tǒng)
該線性磁鐵還可用作柔性編碼器，適用于閉環(huán)控制等工程場景。此外，該磁鐵所編碼信息還可被實時解碼，耦合驅(qū)動下游驅(qū)動器，如通過解碼算法控制LED燈按預(yù)設(shè)順序點亮，展示了其在邏輯控制中的應(yīng)用潛力（圖5）。
圖5 基于線性磁鐵開發(fā)的柔性編碼器及其解碼展示
本研究提出了一種可編程線性磁鐵，結(jié)合微流控高通量組裝與激光加熱局部磁化重構(gòu)，實現(xiàn)了高矯頑力微磁鐵在柔性基底中的高分辨率磁化調(diào)控。該線性磁鐵在隨形構(gòu)建磁性表面、集成可穿戴系統(tǒng)、驅(qū)動軟體機器人以及實現(xiàn)柔性編碼控制等方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能，在柔性電子、微創(chuàng)醫(yī)療和軟體機器人領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59663-9
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