軟材料中的動態拓撲轉換，例如，在不同的屈曲或褶皺狀態之間切換，通常會帶來特殊的聲學、力學特性，并且在自然界生物的生命行為中起著重要作用。為了使可變形結構實現可控拓撲變換，研究人員開發了基于化學溶劑、溫度、pH和光的控制策略。然而，目前報道的調節方法大多基于軟材料的準靜態調制，開發一種高度可控的動態調控策略十分具有挑戰。這一策略可為跨尺度形態調節和多模態各向異性變形提供研究手段，有助于揭示自然界中復雜的動態變換機制，并進一步拓展可變形結構與軟材料在工程領域的應用。

近期，香港中文大學機械與自動化工程學系張立教授團隊與哈爾濱工業大學（深圳）金東東副教授聯合香港城市大學張甲晨教授、中國科學技術大學王柳教授展示了基于磁彈性體的可變形軟體材料，其具有由屈曲不穩定性編碼的三維異質磁疇分布，用于實現軟材料結構的動態調節和多模態各向異性形貌變換。所提出的策略以無模板方式形成具有三維磁疇分布的磁響應材料，在微流控、顆粒操控、軟體機器人等領域中具有廣闊的前景。相關研究成果以 “Dynamic morphological transformations in soft architected materials via buckling instability encoded heterogeneous magnetization” 為題發表于國際著名期刊Nature Communications上。

圖1 磁彈性體的動態轉變示意圖

3D可變形結構由摻雜鐵磁性顆粒的有機硅彈性體制成，如圖1所示。磁性彈性體通過吸收各種有機溶劑（例如甲苯、乙酸乙酯和正己烷）而使它們擴散到彈性體網絡中，從而引起自身結構的膨脹。當制備的磁性彈性體一端附著于親水玻璃基板上并浸入到甲苯時，彈性體結構的溶脹行為因受到基板約束的影響，自發形成的軸向壓縮力會使其產生屈曲變形。屈曲狀態的形貌可以通過彈性體的幾何參數、溶劑的吸收率、人工缺陷、連接類型等因素進行調整。對屈曲變形的磁性彈性體施加強脈沖磁場磁化，再浸泡于乙醇中收縮恢復至未變形狀態，便可在磁彈性體中實現各向異性的三維磁疇分布。此時，在外加磁場的驅動下，基于磁彈性體的條帶結構和晶格結構可以產生跨尺度與多模態的動態形變。

圖2 連接類型的影響和晶格結構的幾何變換：（a）不同邊界類型對屈曲構型的影響；（b）磁刺激下波數（Wn）、屈曲結構的振幅和幾何參數（L/H）之間的定量關系；（c）磁刺激下變形結果的幅度與邊界角（α）之間的定量關系；（d）方形晶格結構的變換；（e-f）六角晶格和交錯晶格的變換；（g-h）具有人工缺陷的方形和三角形晶格的變換

這種基于屈曲不穩定性的磁編程方式無需模板輔助，可用于快速實現具有可編碼異質磁化分布的軟材料結構。結合強度、方向以及梯度可控的外加驅動磁場，能夠實現遠超準靜態調控的多模態各向異性拓撲變換行為。為了闡明其調節機制，研究人員還開發了相應的理論模型與有限元模型，系統地研究了非獨立軟材料結構的溶劑和磁響應行為，與實驗結果高度吻合。

最后，研究人員通過對驅動磁場的調制，使磁性彈性體發生動態形貌重構，從而產生包括定向流體、混合流體和渦流在內的一系列可控流體行為，并展示了其在流體操作、顆粒篩選、生物檢測、軟體機器人等領域的應用價值。

圖3 結構動態變換產生的動態流場：（a-b）條帶結構在不同磁場強度和旋轉方向下誘導的流場；（c）由兩個具有對稱形狀變形結果的條帶結構引起的流場；（d-e）演示了利用多個條帶結構產生的動態流場進行液滴操縱

圖4 磁性彈性體轉變的示例性應用：（a）原位顆粒操縱的示意圖和演示；（b）用于靈敏度增強的生物醫學分析的氣溶膠液滴收集；（c）使用磁彈性體的動態轉換在低雷諾數下進行流體混合；（d）由磁彈性體的動態幾何變換驅動的無線游泳機器人

綜上所述，香港中文大學張立教授團隊與哈爾濱工業大學（深圳）金東東副教授提出了一種新型的磁編程策略，以實現軟材料的動態形態變換和多模式各向異性轉變。利用屈曲不穩定現象的磁化編程方式，為今后發展可控三維磁疇分布的磁性軟材料提供了一種簡易有效的新方法。

這項研究得到香港研究資助局（RGC）、香港創新科技署（ITC）、中大天石機器人研究所、中大信興高等工程研究所、中大-中國科學院深圳先進技術研究院機器人與智能系統聯合實驗室、創新香港研發平臺（InnoHK）的醫療機器人創新技術中心（MRC）的支持。該工作得到香港城市大學張甲晨教授、中國科學技術大學王柳教授的大力合作和幫助。

審核編輯：郭婷