《AFM》：用于模块化和可修复致动器的自适应磁活性软复合材料！

磁活性软材料通常由分散在软聚合物基体中的磁性颗粒组成，由于它们在磁场下可逆和远程形状转换，因此在软机器人中有许多应用。为了实现复杂的形状转换，必须在材料中对各向异性和异质磁化分布进行编程。然而，一旦编程和组装，磁性软致动器就不能轻易地重新配置、改变用途或维修，这限制了它们的应用、耐用性和设计的多功能性。

来自美国密歇根大学的学者根据鱿鱼衍生的生物聚合物和具有可调铁磁和热机械性能的 NdFeB 微粒开发了一种磁活性软复合材料。通过利用生物聚合物基质中的可逆交联纳米结构，开发了一种愈合辅助组装工艺，允许磁活性复合材料的按需重构和磁性重新编程。多材料模块化致动器中的这一概念通过可编程变形模式、在机械损坏后恢复其功能的自我修复特性以及锁定其首选配置和未致动捕获状态的形状记忆行为得到证明。这些动态磁性软复合材料可以实现新型磁致动器的模块化设计和组装，不仅可以通过修复和修复消除设备漏洞，还可以提供自适应机制以按需重新配置其功能。相关文章以“Adaptive Magnetoactive Soft Composites for Modular and Reconfgurable Actuators”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202215248

图 1. 磁活性复合材料的制造。a) NdFeB 微粒分散在具有半结晶形态的鱿鱼衍生生物聚合物基质中。b) 磁活性复合材料的 SEM 图像显示 NdFeB 微粒（绿色）分散良好。c) 随着颗粒含量的增加，具有不同颗粒负载的复合材料显示出从白色到黑色的颜色变化。

图 2. 磁活性复合材料的磁性、机械和愈合特性。a) 复合材料的磁特性，显示铁磁行为与剩磁作为粒子浓度的函数。b) 具有不同颗粒负载的复合材料的机械特性，显示 37 °C 的玻璃化转变和 GPa 到MPa 的模量随温度的变化。c) 具有不同颗粒负载的复合材料在界面处多次被切割（机械损伤）和愈合。d) 在所有样品的自愈过程之后，磁性都得以保留，与粒子浓度无关（M₀和 M_r 分别是矫顽力和剩磁）。e) 在多次愈合循环和高于玻璃化转变温度 (70 °C) 的长时间愈合循环后保持磁化。每次测量的样本量 n = 3。

图 3. 磁性软致动器。a) 复合材料在特定方向的高强度书写磁场下被磁化。b) 软磁致动器由于磁场（垂直）和内部复合磁化（水平、垂直于场）产生的扭矩而弯曲，导致左/右尖端位移。c) 在向上驱动场（单位数：mT；比例尺：5 mm）下软驱动器（2:1颗粒：蛋白质比）的弯曲和尖端位移。d) 致动器尖端位移作为致动磁场和温度的函数，表现出热响应场敏感性。e) 作为温度和粒子负载的函数的磁场灵敏度 (δD/δB)。f) 原始、损坏（切割）和愈合的致动器的尖端位移，显示损坏后位移损失和愈合后恢复。

图 4. 多材料和离散化软磁致动器的模块化组装（2:1 颗粒：蛋白质比例，在 40 °C 水浴中致动）。a) 通过界面愈合将模块化复合材料与所需的磁性和几何形状组合在一起制造的磁致动器。b) 具有非磁性蛋白质核心和垂直场下磁化尾部（右磁化）的多材料致动器。c) 具有非磁性蛋白质核心和垂直场下磁化尾部（向下磁化）的多材料致动器。d）在垂直和水平场下具有非磁性蛋白质核心和磁化双尾的多材料致动器。e) 具有离散磁化的多材料离散致动器，在垂直场下具有右磁化芯和向上磁化尾部。

图 5.多材料模块化软夹具。a) 具有软蛋白核和尾部磁化的悬臂致动器，用于弯曲和运输环形有效载荷。b) 具有软蛋白核和双尾磁化的悬臂致动器，用于协调弯曲和顺应地抓取具有复杂几何形状的有效载荷。

图 6. 锁定状态的形状记忆执行器。a) 带尾部磁化的单悬臂致动器。温度控制用于可逆地调整致动器的刚度，锁定其形状并实现锁定状态，而无需致动场。b) 具有尾部磁化和可逆凹/凸弯曲的4 臂致动器。

本研究设计了一种磁性软复合材料，由分散在具有动态特性的鱿鱼衍生生物聚合物基质中的铁磁颗粒组成。虽然 NdFeB 微粒由于其剩磁提供了一种对复合材料的内部磁化进行编程的方法，但 SRT 蛋白质由于刺激响应的半结晶蛋白质纳米结构而提供了适应性。一方面，纳米晶 β-折叠提供了一种氢键稳定的可逆交联机制，可用于修复蛋白质网络免受多个长度尺度的机械损伤。另一方面，无定形蛋白质相的玻璃化转变温度为 T_g = 37 °C，可通过玻璃态到橡胶态转变提供温度响应的机械性能。在这项工作中开发的动态磁性软复合材料可以实现新型磁致动器的模块化设计和组装，不仅可以通过修复和修复消除设备漏洞，还可以提供新的自适应机制来按需重新配置其功能，而无需重新磁化或消磁。虽然材料外部的控制系统可以进一步优化（例如，为了更好的温度控制和更快的加热速率），但这项工作中描述的材料特性和执行器原型突出了基于蛋白质的材料作为可编程平台的多功能性和潜力设计自适应系统。（文：SSC）