一、研究背景

智能材料作為未來科技的關鍵組成部分，在許多領域中展現了巨大的應用潛力。然而，傳統的磁響應材料通常受到固定磁各向異性和單一響應模式的限制，難以滿足復雜環境和多功能任務的需求。例如，在醫療手術中，微型軟體機器人需要在狹窄空間中變形以適應復雜的解剖結構，同時還需承擔精準遞送藥物等多種功能。現有磁響應材料的局限性使得這些需求難以全面實現，因此開發具有可編程性和多響應能力的新型磁性材料成為研究熱點。此外，如何通過簡單、高效的技術在不破壞材料整體結構的情況下，實現多次重復編程，仍是當前智能材料研究中面臨的重大挑戰。以醫療手術為例，微創軟體機器人要求材料在狹小空間中進行實時變形，而現有材料無法提供快速的響應速度和高精度的形狀控制能力。因此，亟需一種能夠實現多功能響應與編程的材料系統，以滿足復雜應用場景的需求。

二、創新研究

中國科學技術大學微納米工程實驗室李家文副教授課題組提出了一種基于磁疇可重編碼的形狀記憶復合材料（RM-SMC）的磁性機器人系統，通過激光與磁場的協同作用，解決了傳統磁性軟機器人變形能力受限、承載能力較弱的問題。課題組通過結合形狀記憶聚合物的可變剛度與磁性微囊的可重編碼特性，設計了一種新型磁性機器人。該機器人能夠在磁場和激光的共同作用下，進行磁疇圖案化重編碼，實現形態可重構和剛度可調，進而突破了現有磁性軟機器人在形態改變和負載能力方面的瓶頸。

如圖1所示，研究過程中使用近紅外激光精確調控RM-SMC薄膜內部的磁性微囊，通過激光加熱至微囊的相變溫度，激活材料內部的磁性顆粒并使其在外部磁場的引導下重新排列，從而實現磁疇重編碼。這一過程確保了即使撤去外部磁場，材料的磁疇編碼仍能保持穩定，從而保證機器人在不同的磁場作用下能夠實現預設的變形。此外，RM-SMC材料的形狀記憶特性使得機器人能夠在加熱軟化后發生復雜的三維變形，并在冷卻后鎖定其形狀，從而具備形態保持能力。

圖1 RM-SMC機器人磁疇重編碼及變形原理。（a）RM-SMC機器人重編碼、加熱變軟、磁致變形和形狀保持過程；（b）磁性微囊中磁性顆粒偏轉示意圖；（c）機器人基質變形、形狀鎖定示意圖。Bp：旋轉磁場；Ba：旋轉磁場

通過精細編碼的磁疇方向控制，機器人能夠在磁場作用下完成多種形態轉換。如圖2所示，在二維長條結構的基礎上，激光加熱使得結構能夠轉變為圓筒形，并在旋轉磁場的驅動下沿水平方向自由滾動。進一步的實驗表明，機器人能夠在不同地形上運動，如在紙面上滾動、攀爬斜坡、跨越狹縫等，還能在變化的磁場下保持穩定的形態。此外，如圖3所示，機器人具備優異的負載能力，能夠承載比自身重143倍的物體，完成貨物搬運等復雜任務。

圖2 滾動機器人。（a）滾動機器人的編碼、變形、形狀鎖定過程；（b）機器人在旋轉磁場下滾動過程；（c）機器人在不同地形運動以及變形后承載過程

圖3 載物機器人。（a）載物機器人的貨物放置、磁驅變形、貨物鎖定和貨物釋放過程；（b）載物機器人在旋轉磁場下的定向運輸過程；（c）載物機器人貨物的釋放過程

同時，在RM-SMC長條變形時、通過改變外部磁場的方向，可以得到螺旋形狀的機器人，可在旋轉磁場驅動下螺旋前進。如圖4所示，將RM-SMC螺旋機器人放置在裝滿水的液槽中進行驅動，在10 Hz的旋轉磁場的驅動下，機器人的運動速度可達8.33 mm/s。

圖4 螺旋機器人。（a）螺旋機器人的加熱磁致變形和形狀鎖定過程；（b）螺旋機器人在旋轉磁場下在水中驅動過程

三、總結

課題組實現了磁性材料在激光和磁場雙重作用下的精確磁疇重編碼與形態變形，不僅解決了現有磁性軟機器人形變后無法保持形狀的問題，還通過調節材料剛度，擴展了機器人在不同環境下的適用性。通過采用這種方法，機器人能夠在多種復雜環境中實現自主運動、形態變換與任務執行，具備廣泛的應用潛力。這項工作為軟機器人領域提供了一種新的設計思路，不僅能顯著提高機器人的形態變換能力和承載能力，還為未來生物醫學、微納操作、貨物運輸等領域的應用奠定了基礎。通過進一步優化材料與工藝，該研究有望推動更多高性能自適應機器人系統的開發，并為智能機器人在復雜、動態環境中的廣泛應用提供技術支持。

參考文獻： 中國光學期刊網

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