磁性材料也可以“生长”了！

当地时间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和佐治亚理工学院软机警材料力学和3D打印实验室齐航教授共同领导的研究团队在《先进材料》期刊上发表了一篇重要论文，并成为该期杂志的封面文章。这篇题为《磁性动态聚合物的模块化组装和可重构变形》的论文，旨在通过开发一种新的热磁响应材料系统，实现“原位再编程变形及重构”，解决传统磁驱软材料在材料制备后无法改变永久形状和磁化分布的问题。

为了应对这一挑战，赵芮可教授和她的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。这种材料能够在加热后，使高分子链部分断开并重新连接，从而实现复杂三维结构的加工和重构、磁化分布的重新编程，以及磁驱软材料的模块化熔焊组装。磁驱软材料还可以通过远程控制进行操作，这在小型软体机器人领域，特别是在医疗领域的微创和无创手术中具有巨大潜力。

赵芮可教授指出，这种材料具备远程控制和响应机制，可以在无线驱动下实现形状变化。通过分离驱动力和驱动材料，这种材料可以应用于制造小型功能化材料。这使得远程控制复杂材料的变形和运动成为可能，尤其是在医疗领域中，有望实现通过远程微创甚至无创的方式进行手术。

赵芮可教授还详细介绍了动态高分子交联网络与硬磁颗粒结合的具体过程。微米级的硬磁颗粒与软性高分子材料混合后，通过加热和磁场作用，高分子链可以部分断开并重新连接，从而实现宏观上的焊接和可编程重构等功能。她举例说明，用这种材料制成的皮筋在加热和冷却过程中，可以在保持弹性的同时改变形状。

这项研究的独特之处在于，它提出了一种利用材料特性进行复杂三维软结构加工的新方法。这种方法在以往的研究中未曾出现。通过磁场和热场的耦合，这种材料可以在加热后形成不同的波动形状，并通过远程控制完成复杂三维结构的重构。

赵芮可教授还强调，这种材料可以通过加热和磁场作用，实现磁化分布的原位再编程。具体而言，材料加热到120℃左右时，动态交联网络打开，材料变得像蜂蜜状的稀薄半液体，硬磁颗粒能够在基底中自由旋转。通过图案化红外光照射，可以完成复杂的磁化编程，并且这一过程可以重复进行。

研究团队还展示了这种磁驱材料在远程导航、组装和多功能集成方面的高度定制化和可编程能力。利用三维磁场操控模块的翻滚和旋转运动，可以对不同模块进行远程控制，并通过激光完成远程焊接，从而获得复杂的磁驱组装结构。此外，这种材料还可以实现同一结构的重构磁化分布和永久变形，进而改变结构的驱动形式和功能。

在应用方面，赵芮可教授指出，传统的机器人需要电机驱动，因此体积较大。然而，通过磁力控制材料，驱动装置可以与变形机构分离，从而使机器人体积大幅缩小。这种技术在医疗领域尤其有用，能够实现远程控制软体机器人进行复杂操作。

赵芮可教授表示，她从小在西安长大，并与本次合作的齐航教授都是西安人。她在2012年毕业于西安交通大学机械工程系，并在美国布朗大学继续深造，主要从事计算力学和软材料波动性的研究。在麻省理工学院做博士后期间，她开始了磁性软材料的研究工作。

2018年，赵芮可教授加入了俄亥俄州立大学。她认为多元化的背景有助于激发创新思维，并帮助学生更好地成长。她非常欣赏中国学生的勤奋和思考精神，以及美国学生善于交流的特点。2021年9月，赵芮可教授将加入斯坦福大学机械系，她和学生们即将开启新的篇章。她认为，在生物医疗器械、软体机器人、柔性器件以及航空航天等领域，软物质材料具有广阔的应用前景。赵芮可教授希望通过教学和研究，让学生们共同享受科研的乐趣。