磁响应软体致动器由于可以在封闭和复杂的环境中实现快速、可逆和可编程的形状变换，广泛应用在软体机器人、柔性器件和生物医疗等领域。近几年，国内外学者通过模仿动物（如水母、尺蠖、蝌蚪等）运动时的形状变化实现了一系列具有多种运动模式和功能的仿生磁响应软体致动器，表明磁响应软体致动器的功能与其所能实现的变形高度相关。然而，现有的方法对于实现局部曲率可调的磁响应三维曲面仍然面临挑战。这类复杂曲面对于进一步扩展磁响应软体致动器在仿生软体机器人领域的应用十分重要，因此迫切需要开发新的设计和制造方法。
针对上述问题与挑战，湖南大学赵岩副教授和南洋理工大学周琨教授团队受自然界中一些生物多孔曲面（如毛酸浆果表面、冠盖硅藻细胞壁和玻璃海绵骨架）的启发，提出了一种多孔结构设计与力学指导的磁性编程相结合的方法，同时实现了对磁响应软体致动器的有效刚度分布以及磁极的方向和大小分布的精确调控。团队进一步运用所提出的方法成功制备了一系列具有非均匀和连续可调曲率的形状可编程磁响应三维曲面并应用于仿生软体机器人领域。相关研究成果发表在国际期刊Applied Physics Reviews上，题为“Bioinspired porous magnetoresponsive soft actuators with programmable 3D curved shapes”，并被期刊选为Featured Article。本文首先以一个长方形薄片作为例子展示了磁响应多孔软体致动器的结构设计思路（图1）。先将长方形设计域离散成一系列大小相同的正方形单元晶格，再通过设计每个正方形晶格的边长和内部圆孔的直径来实现对每个方形单元的孔隙率调控。进一步的，可以通过控制每个单元的孔隙率来调控磁弹性体薄片的有效刚度和磁极大小的分布，最终控制结构在一定外部载荷下的曲率分布。磁响应多孔软体致动器的制备过程包括模具成型、激光切割和力学指导的磁性编程三个步骤（图2）。前两步用来制备具有微米级孔洞的磁弹性体薄片，最后一步则是为了获得非均匀的磁极分布。此外，团队使用了一种从静力学到磁场驱动的一体化有限元仿真方法来定量预测磁响应多孔软体致动器的变形以及指导结构的设计，并通过实验验证了这套数值方法的可靠性。图2 磁响应多孔软体致动器的制备、数值模拟及实验验证通过在长方形磁弹性体薄片上面设计不同大小和分布方式的微孔，同时基于弹性基底的单轴预应变实现了一系列具有非均匀和连续可调曲率的形状可编程磁响应可展曲面（图3）。此外，实验结果表明多孔的设计也进一步提升了磁响应软体致动器的驱动速率。在上述基础上，本文引入了一种离散的设计思想来进一步得到形状更复杂的磁响应不可展三维曲面。将磁弹性体圆形薄片平均分割成8等份，每部分都可以看成具有非均匀宽度的长条状薄片结构。这些结构可以在单轴压应力的作用下发生屈曲变形，与图3中展示的方法类似。随后基于弹性基底的双轴预应变，设计并制备了山峰状和鼓状两个磁响应单峰不可展三维曲面以及火山口状和锅盖状两个磁响应多峰不可展三维曲面（图4）。曲面在动物身上普遍存在并且在它们的运动过程中发挥着重要的作用。利用本工作提出的方法对磁响应软体致动器在磁场驱动下的局部曲率进行调控，团队还成功制备了仿尺蠖、海星、蜘蛛和鲫鱼的磁响应三维曲面（图5）。最后，系统的探索了仿尺蠖磁响应软体致动器在软体爬行机器人领域的应用。这个磁响应软体机器人可以在周期性磁场的作用下实现快速的爬行运动（图6）。通过控制磁场的强度和频率可以调节软体机器人的运动速度，最高可达1.2体长/秒。由于磁响应软体机器人整体的净磁矩始终会与外部磁场的方向保持一致，该软体机器人不需要任何额外的执行机构设计就可以实现转向和导航功能。此外，制备的仿尺蠖磁响应软体爬行机器人还具有爬坡和在封闭的管道中运动的能力，并且可以通过两种截然不同的方式来运输物体。本研究工作将生物启发的多孔设计与力学指导的磁性编程方法相结合，实现了局部曲率可调的磁响应三维曲面，扩展了形状可编程磁响应软体致动器的设计空间，提升了磁响应软体致动器的驱动速率，并进一步拓宽了磁响应软体致动器在仿生软体机器人领域的应用。湖南大学赵岩副教授课题组长期从事软材料失稳力学、软材料4D打印、软体机器人等研究，在JMPS（4篇）、Advanced Science（2篇）、Advanced Materials、SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy、Applied Physics Reviews等国内外顶级期刊发表SCI论文三十余篇，申请及授权发明专利4项。近年来主持国家自然科学基金面上、青年项目以及湖南省自然科学基金青年及优秀青年项目等。新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D 打印中心，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究，例如粉末熔融（MJF、SLM、SLS）、光固化（DLP、SLA）、挤出成型（DIW、FDM）等。目前聚焦于功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。
原文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0231351
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