哈工大刘宇艳教授/张东杰副教授团队《AFM》：具有双稳态模量和高刚度比的光响应变刚度磁控致动器！

摘要：变刚度致动器兼顾了刚性及柔性致动器的优势，在多领域发挥重要作用，得到广泛关注。已有变刚度致动器通常采用形状记忆聚合物、低熔点合金等材料，需要持续外部刺激以维持刚度变化，无法同时实现便捷快速的变形及刚化。

变刚度致动器兼顾了刚性及柔性致动器的优势，在多领域发挥重要作用，得到广泛关注。已有变刚度致动器通常采用形状记忆聚合物、低熔点合金等材料，需要持续外部刺激以维持刚度变化，无法同时实现便捷快速的变形及刚化。

针对该问题，哈尔滨工业大学刘宇艳教授/张东杰副教授团队开发了一种基于光引发双键交联和磁响应变形的异质结构变刚度磁控致动器。本工作中的致动器兼顾双稳态模量、高刚度变化、远程控制以及快速响应变形等优势，解决了致动器快速变形和高承载力之间的矛盾。同时，致动器制备流程简单、应用领域广泛，为未来的规模化提供了积极的参考。该研究以题为“Heterogeneous Architecture Light-Responsive Stiffness-Tunable Magnetic Actuator”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上（DOI：10.1002/adfm.202419520）。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

以传统环氧树脂-丙烯酸酯柔性材料为基础，将双键基团封装在柔性材料的分子网络中并利用紫外光触发双键交联反应，提高分子网络的交联密度，实现柔性材料的时空可控刚化（刚化前后模量比达到15600）。进一步将磁性粒子（NdFeB）掺入柔性材料中并设计为双层结构，得到光响应变刚度的磁控致动器。与已有变刚度致动器不同的是：该致动器无需任何刺激即可稳定维持低模量的柔性状态，结合磁响应实现简便、快速的变形；在紫外刚化后无需任何刺激即可稳定维持高模量的刚性状态，具有优异的承载能力。此外，在紫外光响应刚化后，致动器具备形状记忆性能，在光热效应及磁控变形的协同作用下，仍能够实现远程操控变形（图1）。基于致动器的综合性能优势，通过设计形状以及磁力矩分布，完成了变刚度抓手、多形态致动器、可展开天线以及应急机器人等多种应用展示（图2-图4）。

图1 光响应变刚度的工作机理

图2 a-f) 多形态形状致动器应用展示；g)变刚度抓取应用展示

图3 可展开天线应用展示

图4 爬行机器人应用展示

【总结】

本工作结合光响应刚化树脂与磁控变形，提供了一种设计制备变刚度致动器的新思路。利用一锅法制备了紫外响应刚度可调树脂与磁性软材料叠加的双功能层结构，可实现快速便捷变形、高刚度变化范围和双稳态模量。时空可控刚化和快速变形的能力使该致动器应用于多形态致动器、变刚度抓手、可展开天线和应急机器人等应用。未来，随着光响应可逆反应树脂的引入，可利用本文思路制备具有可逆刚度调节的变刚度致动器，在超材料、柔性电子和磁性机器人等领域具有巨大的应用潜力。

刘宇艳教授/张东杰副教授团队长期从事智能变形材料研究及应用，主要包括基于形状记忆动态调控浸润性、粘附性（Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2312869；Small 2024, 20, 2400466；Adv. Compos. Hybrid. Ma. 2023, 6, 124；Sci. China Mater., 2022, 65(9): 2591; ACS Nano 2020, 14, 14047；Adv. Mater. 2021, 33, 2001718; Angew. Chem. Int. Edit. 2018, 130, 3763）；双向形状记忆聚合物合成（Mater. Horiz., 2023, 10, 2464）；形状记忆智能开关（Adv. Sci. 2023, 10, 2205428）；可降解防腐微胶囊（Composites Science and Technology 255，2024，110699；Chemical Engineering Journal 502，2024， 157942）；基于形状记忆聚合物的超材料应用研究（Chemical Engineering Journal 491，2024，152106；ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 54627−54635）；基于形状记忆宏观变形的智能锁紧/释放装置应用研究（https://app.gmdaily.cn/as/opened/n/af9ca247b5924fca96a7bff8a8055c35；Composites Communications 51， 2024，102105；Composites Communications 50，2024， 102031）；石墨烯、MXene材料制备方法及应用研究（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202418420；Matter 2022, 5, 1042. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 14029；Cell Reports Physical Science 4, 101421）等。