“会生长”的磁材料——可编程材料本身就是驱动器,有望用于远程手术机器人
来源: DeepTech深科技 微信公众号 浏览次数: 发表日期:2021-06-21

2021年 6 月 19 日,由俄亥俄州立大学软智能材料实验室赵芮可教授、佐治亚理工学院软机敏材料力学和 3D 打印实验室齐航教授担任共同通讯作者,赵芮可团队博士生吴帅和博士后迮弃疾博士、以及齐航团队的匡晓博士担任共同一作的论文,发表在 Advanced Materials 上,并成为当期杂志的内封。

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图 | 赵芮可教授(来源:受访者)

论文标题为《磁性动态聚合物的模块化组装和可重构变形》(Magnetic Dynamic Polymers for Modular Assembling and Reconfigurable Morphing Architectures)。

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图 | 当期杂志内封(来源:受访者)

提及被选为内封论文,赵芮可教授说最近几年磁性软材料是材料学的一个前沿。该文章旨在通过提出新的热、磁结合响应的软材料体系实现 “原位再编程变形以及重构”,来解决传统磁驱软材料其永久形状和磁化分布在材料制备后无法再次改变的问题。

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图 | 相关论文(来源:受访者)

为解决该难题,她和团队结合了动态交联网络高分子和硬磁颗粒,首次研发出一种新型磁性动态高分子复合材料,该材料可实现复杂三维结构加工和重构、磁化分布重编辑、以及磁驱软材料模块化熔焊组装,其中磁驱软材料还能被远程控制。

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图 | 磁驱动态高分复合材料的工作机理与功能示意图(来源:受访者)

据她介绍,该材料具备远程控制和响应的机制,实现无线驱动的形态变化。通过将驱动力与驱动材料分开,小尺寸的功能化材料成为了可能。

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(来源:受访者)

如此就可实现远程控制复杂材料的变形和运动,这种材料一般用于做小型软体机器人,尤其可以用于医疗领域中的微创和无创操作。

以做手术为例,当前大多需要开刀。通过结合对传统外科手术的学习,结合前沿的磁性材料的软体机器人,未来可实现直接以远程微创甚至无创的形式在人体内做手术。

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(来源:受访者)

关于动态高分子交联网络、与硬磁颗粒相结合的具体过程,她告诉 DeepTech,微米级的硬磁颗粒,其实就是微米级别的小磁铁,它们在和软性高分子材料混合后进行交联。该材料在加热后,在微观下的高分子链可以一定程度的断开并重新连接,通过此方式实现宏观的焊接和可编程重构等多个功能

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图 | 基于磁辅助永久三维形状重构的多稳态结构(来源:受访者)

事实上,任何一个三维结合体,都可从二维的形状开始,用弹性形变的方式来发生初始形态变化从而形成三维体,而该工作可以进一步通过动态的高分子链重组将弹性变形的三维体固定下来。

说到这里赵芮可举例称,设想一根用该材料制作的皮筋,在常温下具有皮筋的一切弹性形变能力。现在将其撑开,对其加热、然后再进行降温,这时皮筋变长了,留在变形后的形状,而且仍然是可以弹性变形的软材料。

首次实现利用重塑二维结构进行复杂三维结构加工

关于该研究的独到之处,赵芮可说其团队一直研究磁性材料,齐航团队则在基底材料上有着丰富经验。

此前在磁性材料领域,尚无材料可实现无缝焊接,也没有材料可通过加热和加磁场的结合,来实现多功能的集成。

而该工作提出一种加工复杂的三维软结构的方式,也就是利用材料加工的特性,把其当成一种加工方式,这在之前是没有的。

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(来源:受访者)

之前的磁性材料,在添加磁场后的确可出现变形,但把磁场撤掉后,材料外形就会恢复原状。

而该团队通过磁场和热场的耦合,一是可让材料变形,二是可让材料产生不同的稳定形状。

研究中,他们制备出一种平面剪纸结构,先给其加上磁场驱动,然后再通过光照对其进行加热,这时材料内应力就会逐渐释放,并可重构成为力学多稳态的复杂三维结构,且能用于三维结构之间的永久形状改变。

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动图 | 实现力学单稳态结构向双稳态的转变(来源:受访者)

针对不同的平面剪纸结构设计,在对其进行永久形状重构后,该团队分别实现了结构单稳态结构向双稳态、以及四重稳态结构的转变。

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动图 | 四重稳态结构的转变(来源:受访者)

实现磁驱软材料磁化分布原位再编程

赵芮可表示,在小的外磁场下,内部磁颗粒会发生快速的物理旋转。在降温后,新形成的动态交联网络会锁定内部磁颗粒的磁化方向。

此时,借助图案化红外光、对材料进行加热,即可实现复杂磁化再编程,而且是可反复进行的磁化编程。

具体来说,材料加热到 120 °C 左右时,动态交联网络打开,材料粘度降低,等于变成蜂蜜状的粘稠半液体状态。

如下图 c,白色箭头便是磁化方向,这些方向由图 a 中的红蓝色微粒决定,每一颗微粒代表着对应的硬磁颗粒,每一个白色箭头代表着磁化的方向。

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图 | 磁性动态高分子复合材料磁化分布原位编程(来源:受访者)

在材料变为粘稠半液体状态后,硬磁颗粒就能在基底中自由旋转。即增加外界磁场,即可调整微粒的指向,这也正是原位编程的概念。

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动图 | 不同的变形之一(来源:受访者)

具体步骤是通过加热和加磁场,来实现对每个模块磁化方向的任意转变,从而通过远程编程法,来实现磁化分布的改变,让材料在同样磁场下实现不同的变形,不同变形代表着不同的功能。

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动图 | 不同的变形之二(来源:受访者)

实现磁驱材料形状与驱动模式的高度定制化与可编程化

通过远程控制模块导航与组装,并集成形状与磁化的重构功能,该团队还实现了磁驱材料形状与驱动模式的高度定制化与可编程化。

利用三维磁场操控模块的翻滚和旋转运动,可对不同模块的组装进行远程控制。此外,利用激光还可实现远程焊接,进而可获得复杂的磁驱组装结构。

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图 | 磁力驱动模块的远程导航组装与多功能集成原位重构(来源:受访者)

其中,还可实现对同一结构的重构磁化分布和永久变形,这样一来结构的驱动模式和功能也会被改变。

这样的好处在于,假如让材料到受限制空间中运动,往往无法让大物体进入狭窄空间,但可以让各种模块,在远程磁场的趋势下,像变形金刚一样自己组成功性能软体机器人。

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动图 | 磁体组成软体机器人(来源:受访者)

利用磁性 “逻辑单元” 设计,实现多种结构的磁辅助模块化组装和熔焊

关于该研究实现的磁驱软材料模块化熔焊组装功能,赵芮可说,首先是让小方块借助磁力拼接起来,但是假如它们之间连接的部分没有固定,就会散掉。

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(来源:受访者)

这时就会用到化学熔焊,即让材料在高温条件下,断开化学键、并重新和旁边的链条连接。比如两个断开的模块并在一起时,如果用机械外力去掰它,很容易就会分开。

但是,当对其进行加热,材料界面就会以化学方式连接起来,这一过程相当于焊接。

具体来说,在磁吸引力的辅助下,不同模块会紧密相连着,加热到 80 °C 左右,动态高分子基底可在接触面上,生成新的化学连接并被焊接在一起。

让两种方形基本 “逻辑单元” 即单向磁化与双向磁化,进行不同组合后即可实现扭转、弯曲、扭转 - 弯曲、同向弯折和垂直弯折五种变形模式。据赵芮可介绍,该方法可用于任意形状的组装与复杂结构驱动。

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图 | 磁性动态高分子复合材料用于磁辅助模块组装、焊接与驱动(来源:受访者)

就磁机器人的磁材料,提供出小型化方案

在应用方面,赵芮可表示,传统机器人需要电机驱动,因此体积非常大。但如果用磁这样的场来控制材料,驱动装置可以和变形机构分开。

即,外加磁场承担着驱动装置的作用,当材料本身就是驱动器,如此一来机器人体积就会非常小。这也是为何它能应用到医学领域,实现远程控制软体机器人去做复杂操作的原因。



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