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自然界中生物组织的动态三维曲面重构能力（如运动、伪装）为智能材料、软体机器人和精准医疗提供了重要启示。铁磁软材料虽能通过磁场调控形状，但传统方法依赖模板或复杂计算模型，难以高效编程复杂三维曲面的磁化分布。现有技术面临磁偶极相互作用复杂、计算成本高等挑战。
针对以上问题，
香港中文大学张立教授
联合
哈尔滨工业大学（深圳）金东东教授、马星教授及中国科学技术大学王柳教授等人
提出一种嵌入在软材料中的无模板的逆编程策略，通过光剂量打印技术调控软材料的交联密度分布，结合溶剂响应与脉冲磁场，实现三维磁化分布的精准设计与动态重构。
该方法开发了铁磁水凝胶树脂及基于光剂量调控的立体打印工艺，可通过交联密度的空间梯度设计引发溶剂刺激下的异质溶胀效应，进而驱动材料转换为预定三维形态。施加高强度脉冲磁场后，材料被编程为具有3D磁化构型，并通过逆设计算法将目标曲面降维解析为2D交联密度分布图，为光刻工艺提供精准曝光指导。
该逆编程方案突破了传统磁畴取向调制的局限，将硬磁畴空间定位难题转化为交联密度的可控调控，使铁磁软材料可在磁场作用下精准形变至目标曲面（从规则几何面到复杂高斯面）。实验验证了该方法在多维信息存储、
仿生软体机器人及共形医用贴片等场景的应用潜力。
张立，2012年加入香港中文大学机械与自动化工程学系，现为机械与自动化工程学系教授、外科学系礼任教授、生物医学工程学系联席成员及周毓浩创新医学技术中心成员，同时兼任中国科学院深圳先进技术研究院一香港中文大学机器人与智能系统联合实验室港方主任和香港科学园医疗机械人创新技术中心核心研究人员。主要研究领域包括微纳机器人学及其生物医学应用，微纳机器人集群，功能材料用于驱动、传感和医疗机器人的应用等。迄今在Science Robotics、Nature Reviews Bioengineering、Nature Machine Intelligence、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Accounts of Chemical Research、JACS、Sensors and Actuators、IJRR、T-Ro、Soft Robotics等著名国际刊物和国际会议上发表学术论文260余篇。
图1 铁磁软材料磁化剖面的规划策略
光剂量打印制备铁磁水凝胶，通过局部交联密度差异诱导溶剂刺激下的三维变形，结合脉冲磁场编程磁化分布。以扇贝壳为例，通过三维扫描、网格离散化与二维展开，逆向设计光剂量分布，实现目标曲面的磁化编程。
图2 基于光剂量的印刷辅助铁磁软材料的制备和磁化
打印过程中水凝胶网络密度随光剂量增加而升高，磁化颗粒均匀分布。光剂量时间与溶胀率、交联密度的定量关系，证实了光剂量可精确调控材料力学行为。SiO₂包覆的NdFeB颗粒磁化性能稳定，磁滞曲线显示高剩磁特性。
图3 不同曝光方式印制铁磁软质材料的形态转变
梯度光剂量打印的带状结构在溶剂中变形为螺旋形，磁化后恢复为平面并保留三维磁化分布，磁场驱动下复现目标形状。通过不同光剂量图案实现弯曲、波浪、花朵等基础变形模式，验证了有限元分析（FEA）的预测能力。
图4 磁驱动下目标三维曲面复制的逆设计策略
半球面与圆锥面的逆设计流程，通过3D数字显微镜与微CT重建验证形状一致性。鞍形面、双峰曲面等复杂高斯曲面的实验复现，展示了算法对多模态曲面的适应性。
图5 用于复杂信息存储的铁磁软材料的演示
微区光剂量编码实现磁化强度（M
z
）梯度分布，用于高密度信息存储。蒙娜丽莎、星空夜景等图像通过磁光传感器解码，突显了多维信息存储能力。人脸曲面的逆编程，磁化分布与目标面部特征（鼻梁、眼窝）高度吻合。
图6 仿生软机器人用铁磁软材料及适形医用贴片的演示
鳐鱼仿生软体机器人通过动态磁场驱动波浪运动，实现高效推进。个性化肠道药物贴片逆编程设计，可紧密贴合肠道褶皱，pH响应控释药物。
该项工作提出了一种逆向设计策略，通过编程调控铁磁软材料的磁化构型，使其在磁场驱动下可控形变为预定三维曲目标曲面。采用基于光剂量调控的打印辅助免模板磁化技术，成功制备具有三维分布式磁化构型的铁磁软材料。该方法在编程精度与效率方面均具有优势：所需曝光图案通过逆向推导自目标三维表面生成，并通过将硬磁畴空间排布难题转化为交联密度的直接调控，使得材料能够从规则几何面延伸至复杂高斯曲面实现多形态形变。基于该磁化编程策略研发的多维信息存储器、仿生软体机器人及共形医疗贴片等原型系统，彰显了其广阔的应用前景。未来可在磁化策略优化、尺寸参数扩展、形变误差抑制进行技术改进。
Xia, N., Jin, D., Yang, Z. et al. Inverse programming of ferromagnetic domains for 3D curved surfaces of soft materials. Nat. Synth (2025). https://doi.org/10.1038/s44160-025-00746-2
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