在柔性電子、生物醫療和智能制造等領域，對具備響應性、可編程性與可重構性的材料需求日益增長。磁性軟材料因其對磁場的快速響應和結構靈活性，成為構建智能系統的理想候選。然而，實現復雜三維結構與磁性行為的同步編程仍面臨工藝與功能集成的雙重挑戰。荷蘭格羅寧根大學醫學中心 (UMCG) 與特文特大學的研究團隊在《Cell Reports Physical Science》上發表了一項題為Fluidic control programming for 3D magnetic soft metamaterials with reconfigurable mechanical behaviors的研究，通過流體控制技術成功實現了對3D磁性軟超材料（MSM）進行磁化編程，使其力學性能在不同狀態間快速重構。
研究團隊設計了一種基礎單元，通過流體控制技術實現單元內部磁化體素的精細調控。各個體素在磁場作用下產生精確可控的彎曲變形，通過特定磁化模式，可使結構在不同磁場條件下表現出磁響應變形引導的壓彎屈曲，宏觀上展現出可切換的正、負泊松比，實現了材料力學性能的靈活調控能力。
圖1：磁場引導下的軟超材料基礎單元彎曲機制示意圖
為實現復雜3D結構的磁性分布，研究團隊開發了一種多步流體注射工藝。該方法通過設計3D流控通路，使用精密注射和磁場定向控制磁性顆粒的排列方向。通過逐步固化和分批注射，最終獲得具有復雜磁化方向的整體結構，成功解決了傳統方法難以實現的3D磁化布局難題。
圖2：多步流體注射磁化編程工藝示意圖
研究團隊進一步構建了8單元MSM晶格結構，并在不同磁場條件下進行了加載實驗。結果表明，晶格結構可以在磁場作用下快速、穩定地在正泊松比（膨脹模式）和負泊松比（收縮模式）之間切換，且具有出色的力學性能和重復使用穩定性。
圖3：不同磁場條件下超材料晶格結構的壓縮變形模式示意圖
此外，研究還實現了正交各向異性結構的磁性響應，通過精確控制磁化方向，實現了在不同軸向平面分別表現出正負泊松比的獨特性能。這種結構在不同磁場條件下表現出顯著的正交各向異性特征，具有廣泛的潛在應用。
圖4：雙軸正交各向異性磁性超材料的結構與性能表征
為展示材料在實際應用中的潛力，團隊還展示了MSM結構在軟體機器人和電子器件領域的應用。通過磁場快速響應，研究人員成功實現了軟機器人在管道內的精確載荷控制和電子電路開關控制，展現出這種材料在高端制造和智能裝置領域的巨大潛力。這一研究不僅實現了磁響應與結構制作的高度解耦，更提供了一種靈活且可控的工藝路線，對推動智能材料在未來高端制造領域中的應用具有重要意義。
圖5：磁性軟超材料在軟體機器人和電子控制方面的功能演示
原文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(24)00403-X
