Doi: 10.1038/s41586-025-09706-4
詳情請查閲: https://www.nature.com/articles/s41586-025-09706-4.
簡介
港理大團隊报告了能夠快速且可逆地在人体安全的磁場下改變形狀和機械特性的柔軟纖維及其集合体。這些可編程控制的材料應用於柔性機器人, 电磁装置和可穿戴技術。
挑戰
磁流變（MR）材料在暴露於磁場時能快速改變形狀或機械特性。它們在可程式化智能紡織品、機器人及可穿戴裝置方面顯示出良好的潛力。通常, 懸浮在液體或聚合物中的磁性粒子在磁場中會形成纖維狀結構，從而改變其特性。然而, 流體基MR材料中的沉澱和聚集問題會導致不穩定和性能不一致。 雖然基於彈性體的MR材料解決了一些穩定性問題，但由於聚合物基質的限制, 往往會阻礙其響應性, 並降低磁性微粒的效能。
解決方案
為了解決這些問題, 研究團隊設計了纖維狀MR材料。 首先制备了直徑為57微米的軟磁聚合物複合纖維。 這些纖維可以通過低強度、人体安全的外加磁場進行可控操作。 這是通過在低密度聚乙烯基質中均勻分散碳氧化鐵粒子來實現的, 這樣可以使粒子與磁場對齊，同時防止沉澱。 使用這些MR纖維, 进一步構建了各種纖維結構，包括紗線和多層面料，且無需依賴磁性非活性粘結基質。 這種創新的系統能夠擴展到大面積的面料, 並實現可控的定向變形。
與僅對標量刺激（如電壓、電流或溫度）做出反應的傳統響應材料不同, 這些MR紡織品能夠對“矢量”磁場做出反應。通過建立纖維集合體電磁結構力學模型, 確定了關鍵參數用於定制複合配方和紗線結構, 將紡織结构設計與複合材料的磁性相結合。 最終, 得到的MR紗線和织物根據磁場的方向顯示出獨特的彎曲和加固模式, 使其在不同應用中能夠進行可程式化的運動和剛度變化。利用這些MR织物開發了智能設備, 包括用於透汽控制的主動通風织物、用於各種物體的柔性抓取器, 以及一個遠程控制的觸覺手套, 能夠模擬不同紋理和硬度的感覺。
這一突破實現在傳統MR系統中無法實現的能力, 即將MR技術擴展至纖維形式, 結合可調剛度與多樣的變形, 同時具備輕量、靈活和透氣的紡織特性。
所採用的策略還可以應用於硬磁性纖維材料, 將標準剛性磁性裝置轉變為柔性替代品。 這些進步可能開創出新一代的柔性機器人、电磁設備和可穿戴系統。低磁場控制技術對以人為中心的應用至關重要, 涵蓋遠程磁性操控和基於紡織結構的電磁異質集成兩個方面。
研究背景
此项可编程控制MR纖維集合体的進展是30年來陶教授領導下智能紡織科學技術研究的結果之一, 旨在創建未來的電磁、可穿戴設備和模擬人類的感官能力。由香港研究局主題研究計劃項目資助。
作者
蒲俊宏： 港理大研究助理教授，智能可穿戴系研究院成員
李海琼： 港理大研究助理
劉金： 港理大博士畢業生
李可： 港理大博士生
陶肖明： 港理大智能可穿戴系統研究院院長，紡織科技講座教授
